再谈浓差电池

李小宝 廖怡兰

(1.四川省遂宁市第二中学校;2.四川省遂宁船山区第一人民医院)

依靠离子浓度不同而设计的原电池称为浓差电池(concentration cell),由于浓差电池在我们生活生产中发挥着重要作用,在以真实情境为测试载体的化学学业水平考试命题原则的背景下,我们常常会遇到浓差电池相关的化学试题,如2023年山东高考卷11题就出现了以浓差电池原理的真实情境为背景的相关考查,本文从化学热力学出发分析浓差电池的自发原理,进一步挖掘2023年山东卷11题的情境,结合浓差电池的分类,并列举两种浓差电池原理的应用实例,以期为一线师生的教学提供参考。

一、浓差电池的化学热力学原理

例如:如图1(a)图所示,将一支金属镍条浸入浓度为1.00×10-3mol/L的Ni2+溶液中,另一支金属镍条浸入浓度为1.00 mol/L的Ni2+溶液中,两电解液用盐桥连接并使电池形成通路放电。

图1

由于该电池总反应没有化合价的改变,对于多数化学热力学知识不丰富且没有接触能斯特方程的高中学生而言,他们很难理解该原电池反应为什么能自发进行,该过程的能量转化又该如何理解。实际上,整个浓差电池放电过程就相当于浓溶液的稀释过程,稀释过程熵增加,当然是自发的过程了。当左右两烧杯离子浓度相等时,放电反应就到达极限了,此时电池电压为0 V,如图1(b)图所示。所以从稀释自发的角度入手,同学们很容易理解该过程的化学热力学原理。

对于有化学热力学基础和接触过能斯特方程的学生而言,浓差电池的原理就是如下过程:

热力学关系有ΔG=-zFE,根据吉布斯方程式:ΔG=ΔH-TΔS,两式合并得zFE=-ΔH+TΔS。虽然体系总反应没有热效应(ΔH=0),但体系熵增ΔS>0,即ΔG=ΔH-TΔS=0-TΔS=-TΔS<0,反应自发进行。

二、关于2023山东卷11题的浓差电池工作原理分析

【试题】利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示,甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液,向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是

( )

A.甲室Cu电极为正极

B.隔膜为阳离子膜

D.NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响

本题应用的真实情境热再生氨电池(Thermally Regenerative Ammonia Battery)是浓差电池的一种升级装置,其完整结构及工作原理如图2所示:

图2 热再生氨电池结构及工作原理

当氨气通入含有Cu2+的溶液中时,Cu2+转化为[Cu(NH3)4]2+,Cu2+的浓度降低,溶液此时为碱性,pH在9.7左右,该工作室(题中的甲室)相当于浓差电池中含低浓度放电离子的池,作原电池的负极,单质铜转化为铜离子。另一工作室(题中乙池)就相当于浓差电池中含高浓度放电离子的池,溶液此时为酸性,pH在2.6左右,该工作室为原电池的正极区,铜离子转化为单质铜,放电后的电解液是含低浓度Cu2+的溶液,进一步处理可以排放。

如图2所示,电池工作时选用的阴离子交换膜AEM(Anion exchange membrane)可以减少铵根离子或带正电荷的铜(Ⅱ)络合物离子从电池负极电解液到电池正极电解液的转移。当控制好电池的负载,电池的放电能力可以得到提升,处理废液所需的时间也可以大幅缩短,最终我们可以获得较高的Cu2+去除率。所以该题的参考答案为CD。

为了使放电能持续进行,技术人员利用低温加热(≤130℃)技术将放电后电池负极的电解液加热,通过热再生,[Cu(NH3)4]2+分解得到氨气和高浓度的铜离子溶液,氨气循环利用作为下一次放电过程的反应物,铜离子溶液则作为下一次放电时的电池正极电解液进行处理。

三、两种经典的浓差电池

四、在生活生产中两个经典的浓差电池原理应用实例

(一)pH计

2019版的人教高中化学教材选择性必修1在介绍测定溶液的pH时,就提到可以用pH计对溶液的pH进行测定,pH计是基于离子浓度影响而工作的。pH计常常由两个电极和一个伏特表组成,这两个电极一个是参比电极另一个是玻璃电极,参比电极是一个恒定电位的电极,玻璃电极的电势则受待测液影响。

玻璃电极内部的电解液是pH为7的缓冲液,当玻璃电极的pH探头浸入待测溶液时,待测液中的氢离子在玻璃电极球泡周围积聚并进入球泡取代电解液中的金属离子,同时,一些金属离子从玻璃电极转移到待测溶液中。这样,玻璃电极内部的氢离子浓度受待测液影响而改变,氢离子的浓度(活度)又与玻璃电极的电势成正比。所以,当电势稳定的参比电极和玻璃电极连通形成一个原电池时,该电池会产生与氢离子浓度(活性)相关的电位差,再把电信号放大,并做数据处理就可以得到待测液的pH。

(二)触发心脏跳动的电脉冲和浓差电池联系密切

触发心脏有规律跳动的电脉冲就是浓差电池和离子泵相互结合的结果。我们体内含有不同生理机能的离子,如Na+,K+和Ca2+,细胞壁对这些生理离子具有不同的渗透性,所以这些离子的浓度在细胞内液和细胞外液不同。在心肌细胞工作时,细胞内液和细胞外液中K+的浓度通常分别约为135 mmol/L 和4 mmol/L。细胞内液和细胞外液之间的离子浓度差异会产生一个浓差电池,我们可以使用能斯特方程计算出在37℃时,生理离子从细胞内液移动到细胞外液的动作电位。

放电时,K+离子自发向低浓度的细胞外液移动,造成细胞内液和细胞外液中离子浓度差减小。放电完成后,钾离子泵通过主动运输将K+运输到细胞内液中,调节细胞内液中离子的浓度,使细胞内液和细胞外液中K+的离子浓度差增大,当浓差电池的电势达到心脏起搏细胞工作所需的动作电位大小时,触发下一次放电,其他离子放电原理与K+类似。通过浓差电池工作和离子泵工作,最终使心脏有规律地工作跳动。如果心脏的起搏细胞因疾病或损伤而出现故障,可以通过手术植入人工起搏器,人工起搏器包含一个小电池,也可产生触发心脏收缩所需的电脉冲。