干电池的结构和废旧电池的回收利用
一、问题的提出
现在人们在社会生活中几乎一天也离不开电池。按我国年产电池180多亿只计算,人均一年要消费6~7节电池,最常使用电池的是寻呼机、手机、袖珍收音机、随身听、遥控器等。电池的种类也各异,有锌锰干电池、锌银电池、锂电池、燃料电池等。这些电池的构造如何,基本工作原理是什么,重要用途有哪些,废旧电池的危害在哪里……带着这些问题,我们开展了这一课题的研究。 二、研究方案的设计
1.研究目的
(1)认识电池的分类、构造,基本工作原理,主要用途及对环境的危害。通过回收干电池,防治污染,变废为宝,增强环保意识。
(2)根据C、MnO2、NH4Cl、ZnCl2等物质差异,联系溶解、过滤、蒸发、结晶、加热、灼烧等操作,探索将这几种物质从混合物中逐一分离出来的方法及NH4+、Zn2+、MnO2的检验操作。
(3)通过实验感悟求知过程,拓展所学的知识,巩固实验操作技能,锻炼思维品质,培养创新能力。
(4)了解我国废旧电池的回收情况以及回收存在的困难,废旧电池的回收利用技术等。
2.研究方法
文献法、实验法、市场调查法。
3.研究过程
(1)准备。确定子课题:①电池的种类,②干电池的结构,③废旧电池的危害,④废旧电池的回收及利用。
(2)分子课题开展实验活动。
(3)集中交流与讨论。
4.总结研究成果。以小论文、市场调研表、实验报告形式完成。
三、研究方案的实施
1.实验过程
学生分子课题落实任务后,立即开展行动。①④两个子课题的同学查阅大量的电子、教育、机械、卫生等方面的书籍,利用学校的电子阅览室,下载了大量有关常见电池的介绍、电池发明、发展史、废旧电池对环境的危害及回收技术等资料。②③两个子课题的同学提前一周收集了废旧干电池,带着极大的好奇心,兴致勃勃地动手“解剖”干电池。
【操作】用钳子和剪刀剪开锌筒,将锌皮和碳棒分离出来,用毛刷洗干净,电池内黑色粉末用药匙移入小烧杯,其余杂物放入废物箱。
【讨论】电池内的黑色粉末包括哪些成分?哪些成分能被回收利用?电池的正负极电极反应分别是什么?
【结论】干电池是以Zn皮制成的圆筒形外壳作负极,顶端附有铜帽的石墨碳棒作正极,筒内填充ZnO、NH4Cl和淀粉糊的混合物,在石墨正极附近又裹着一层粉末状的MnO2。
干电池的两极反应为:
负极:Zn-2e-=2Zn2+
正极:2NH4++2e-=2NH3+H2
MnO2作为去氢剂,把新生成的“活性氢”氧化成水H2+2MnO2=Mn2O3+H2O,氨则与Zn2+结合成[Zn(NH3)4]2+。
面对自己解剖得到的产物,学生非常兴奋,对于锌皮,他们知道可以制氢气；碳棒可作电极,二氧化锰可作制O2的催化剂,那么剩下的黑色物质还有什么成分,又有什么用途。对于他们的提问,我暗示他们用学过的化学知识来操作鉴定。
【操作】取固体溶于水,用玻璃棒搅拌,过滤,得到无色滤液和黑色滤渣,加热,蒸发滤液至有晶体为止,得白色晶体；将滤渣加热,蒸干,得到黑色固体。将白色晶体用温水溶解,将湿润的红色石蕊试纸贴在表面皿底,盖在小烧杯口。
现象:试纸变蓝色,还可闻到刺激性气味。
说明:干电池内有NH4+。
将少量黑色固体加入装有H2O2的试管,并将一支带火星的木条放入试管口。
现象:试管内有大量气泡产生,带火星的木条复燃。
说明:木条复燃,证明有O2产生,一定有起催化作用的物质。
附图 实验装置
【思考】如何提纯NH4Cl。学生设计的实
验装置如附图。
【讨论】如何用所回收的材料设计原电池装置。
四、研究成果与收获
1.通过解剖,学生掌握了电池的构造,了解了电池的工作原理,同时利用所回收的材料再次组装原电池。
2.通过对资料的查阅,学生了解到废旧电池对人类的危害。
废旧电池中含有Hg、Pb、Cr、Ni等金属及酸碱盐等电解质溶液,对人体及生态环境有不同程度的危害。有资料显示,一节一号电池烂在地里,能使一大片的土壤永远失去利用价值；一粒纽扣电池可使600t水受到污染,相当于一个人一生的饮水量。若将废旧电池混入生活垃圾一起填埋或随手丢弃,渗出的Hg及重金属物质会渗透于土壤,污染地下水,进而进入鱼类、农作物中,破坏人类的生存环境。人体吸收到这些重金属后,Hg会破坏人体中枢神经,Cr易引起人体慢性中毒,主要病症有肺气肿、骨质钙化、贫血甚至造成人体瘫痪；而Pb进入人体最难排泄,它会干扰肾功能、生殖功能等。
3.拓宽了知识面,锻炼了学生收集、处理信息的能力。
在进行干电池的解剖研究和废旧电池的回收调查中,学生学会了简单的调查、分类、分析、比较等知识,了解到锌锰干电池的电池表示式为Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2；锌银电池Zn|KOH|Ag2O；锂电池Li|MnO2；Li|CF2；锌空气电池Zn|KOH|O2；还有诸如海水电池,新型燃料电池,纽扣电池等。知道了1958年世界上第一个心脏起搏器内安装了寿命最长、可靠性最高的锂碳电池,这种电池在火箭、移动电话、笔记本电脑中广泛使用。再比如废旧电池的回收有湿法冶金、常压冶金等。厚街中学高二(5)班的同学通过问卷、走访、查阅文献等,用几个月的时间完成了“关于废旧电池现状调查与研究”的调查报告。结论是我国废旧电池回收率只有1%~2%,他们对废旧电池危害大而回收现状差感到震惊。五名中学生在调查中发现,有近八成的居民认为废旧电池回收活动“与自己无关”或“没时间参加”,有87%的居民将废旧电池与生活垃圾一起丢弃。
五、研究体会
通过调查,学生自发收集了关于废旧电池的危害、回收及再利用等资料,并把这些材料装订成册,分小区发小册子并在居民小区设立了废旧电池回收箱。同时向政府提出倡议,研发环保电池,电池生产厂家必须有相应的废旧电池处理能力与再生能力,电池销售商应采取措施(如以优惠价以旧换新等)以鼓励电池回收并在电池上贴上电池回收种类,标明其成分。消费者可以拒绝购买无正确标识的电池产品。学生明白一个小小的电池竟然蕴藏如此多的学问,这增强了他们科学研究的信心,在研究过程中,学生在查找资料与实验中也遇到了一定的困难,但在全体同学的团结合作下,他们解决了困难。培育科学的人生观和世界观,从我做起,从身边的科学问起,保护环境,人人有责。