李小寶 廖怡蘭

(1.四川省遂寧市第二中學(xué)校;2.四川省遂寧船山區(qū)第一人民醫(yī)院)

依靠離子濃度不同而設(shè)計的原電池稱為濃差電池(concentration cell),由于濃差電池在我們生活生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用,在以真實情境為測試載體的化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試命題原則的背景下,我們常常會遇到濃差電池相關(guān)的化學(xué)試題,如2023年山東高考卷11題就出現(xiàn)了以濃差電池原理的真實情境為背景的相關(guān)考查,本文從化學(xué)熱力學(xué)出發(fā)分析濃差電池的自發(fā)原理,進一步挖掘2023年山東卷11題的情境,結(jié)合濃差電池的分類,并列舉兩種濃差電池原理的應(yīng)用實例,以期為一線師生的教學(xué)提供參考。

一、濃差電池的化學(xué)熱力學(xué)原理

例如:如圖1(a)圖所示,將一支金屬鎳條浸入濃度為1.00×10-3mol/L的Ni2+溶液中,另一支金屬鎳條浸入濃度為1.00 mol/L的Ni2+溶液中,兩電解液用鹽橋連接并使電池形成通路放電。

圖1

由于該電池總反應(yīng)沒有化合價的改變,對于多數(shù)化學(xué)熱力學(xué)知識不豐富且沒有接觸能斯特方程的高中學(xué)生而言,他們很難理解該原電池反應(yīng)為什么能自發(fā)進行,該過程的能量轉(zhuǎn)化又該如何理解。實際上,整個濃差電池放電過程就相當(dāng)于濃溶液的稀釋過程,稀釋過程熵增加,當(dāng)然是自發(fā)的過程了。當(dāng)左右兩燒杯離子濃度相等時,放電反應(yīng)就到達極限了,此時電池電壓為0 V,如圖1(b)圖所示。所以從稀釋自發(fā)的角度入手,同學(xué)們很容易理解該過程的化學(xué)熱力學(xué)原理。

對于有化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)和接觸過能斯特方程的學(xué)生而言,濃差電池的原理就是如下過程:

熱力學(xué)關(guān)系有ΔG=-zFE,根據(jù)吉布斯方程式:ΔG=ΔH-TΔS,兩式合并得zFE=-ΔH+TΔS。雖然體系總反應(yīng)沒有熱效應(yīng)(ΔH=0),但體系熵增ΔS>0,即ΔG=ΔH-TΔS=0-TΔS=-TΔS<0,反應(yīng)自發(fā)進行。

二、關(guān)于2023山東卷11題的濃差電池工作原理分析

【試題】利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示,甲、乙兩室均預(yù)加相同的CuSO4電鍍廢液,向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法正確的是

( )

A.甲室Cu電極為正極

B.隔膜為陽離子膜

D.NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響

本題應(yīng)用的真實情境熱再生氨電池(Thermally Regenerative Ammonia Battery)是濃差電池的一種升級裝置,其完整結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示:

圖2 熱再生氨電池結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)氨氣通入含有Cu2+的溶液中時,Cu2+轉(zhuǎn)化為[Cu(NH3)4]2+,Cu2+的濃度降低,溶液此時為堿性,pH在9.7左右,該工作室(題中的甲室)相當(dāng)于濃差電池中含低濃度放電離子的池,作原電池的負極,單質(zhì)銅轉(zhuǎn)化為銅離子。另一工作室(題中乙池)就相當(dāng)于濃差電池中含高濃度放電離子的池,溶液此時為酸性,pH在2.6左右,該工作室為原電池的正極區(qū),銅離子轉(zhuǎn)化為單質(zhì)銅,放電后的電解液是含低濃度Cu2+的溶液,進一步處理可以排放。

如圖2所示,電池工作時選用的陰離子交換膜AEM(Anion exchange membrane)可以減少銨根離子或帶正電荷的銅(Ⅱ)絡(luò)合物離子從電池負極電解液到電池正極電解液的轉(zhuǎn)移。當(dāng)控制好電池的負載,電池的放電能力可以得到提升,處理廢液所需的時間也可以大幅縮短,最終我們可以獲得較高的Cu2+去除率。所以該題的參考答案為CD。

為了使放電能持續(xù)進行,技術(shù)人員利用低溫加熱(≤130℃)技術(shù)將放電后電池負極的電解液加熱,通過熱再生,[Cu(NH3)4]2+分解得到氨氣和高濃度的銅離子溶液,氨氣循環(huán)利用作為下一次放電過程的反應(yīng)物,銅離子溶液則作為下一次放電時的電池正極電解液進行處理。

三、兩種經(jīng)典的濃差電池

四、在生活生產(chǎn)中兩個經(jīng)典的濃差電池原理應(yīng)用實例

(一)pH計

2019版的人教高中化學(xué)教材選擇性必修1在介紹測定溶液的pH時,就提到可以用pH計對溶液的pH進行測定,pH計是基于離子濃度影響而工作的。pH計常常由兩個電極和一個伏特表組成,這兩個電極一個是參比電極另一個是玻璃電極,參比電極是一個恒定電位的電極,玻璃電極的電勢則受待測液影響。

玻璃電極內(nèi)部的電解液是pH為7的緩沖液,當(dāng)玻璃電極的pH探頭浸入待測溶液時,待測液中的氫離子在玻璃電極球泡周圍積聚并進入球泡取代電解液中的金屬離子,同時,一些金屬離子從玻璃電極轉(zhuǎn)移到待測溶液中。這樣,玻璃電極內(nèi)部的氫離子濃度受待測液影響而改變,氫離子的濃度(活度)又與玻璃電極的電勢成正比。所以,當(dāng)電勢穩(wěn)定的參比電極和玻璃電極連通形成一個原電池時,該電池會產(chǎn)生與氫離子濃度(活性)相關(guān)的電位差,再把電信號放大,并做數(shù)據(jù)處理就可以得到待測液的pH。

(二)觸發(fā)心臟跳動的電脈沖和濃差電池聯(lián)系密切

觸發(fā)心臟有規(guī)律跳動的電脈沖就是濃差電池和離子泵相互結(jié)合的結(jié)果。我們體內(nèi)含有不同生理機能的離子,如Na+,K+和Ca2+,細胞壁對這些生理離子具有不同的滲透性,所以這些離子的濃度在細胞內(nèi)液和細胞外液不同。在心肌細胞工作時,細胞內(nèi)液和細胞外液中K+的濃度通常分別約為135 mmol/L 和4 mmol/L。細胞內(nèi)液和細胞外液之間的離子濃度差異會產(chǎn)生一個濃差電池,我們可以使用能斯特方程計算出在37℃時,生理離子從細胞內(nèi)液移動到細胞外液的動作電位。

放電時,K+離子自發(fā)向低濃度的細胞外液移動,造成細胞內(nèi)液和細胞外液中離子濃度差減小。放電完成后,鉀離子泵通過主動運輸將K+運輸?shù)郊毎麅?nèi)液中,調(diào)節(jié)細胞內(nèi)液中離子的濃度,使細胞內(nèi)液和細胞外液中K+的離子濃度差增大,當(dāng)濃差電池的電勢達到心臟起搏細胞工作所需的動作電位大小時,觸發(fā)下一次放電,其他離子放電原理與K+類似。通過濃差電池工作和離子泵工作,最終使心臟有規(guī)律地工作跳動。如果心臟的起搏細胞因疾病或損傷而出現(xiàn)故障,可以通過手術(shù)植入人工起搏器,人工起搏器包含一個小電池,也可產(chǎn)生觸發(fā)心臟收縮所需的電脈沖。