干電池的結(jié)構(gòu)和廢舊電池的回收利用

一、問題的提出

現(xiàn)在人們在社會生活中幾乎一天也離不開電池。按我國年產(chǎn)電池180多億只計(jì)算,人均一年要消費(fèi)6~7節(jié)電池,最常使用電池的是尋呼機(jī)、手機(jī)、袖珍收音機(jī)、隨身聽、遙控器等。電池的種類也各異,有鋅錳干電池、鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。這些電池的構(gòu)造如何,基本工作原理是什么,重要用途有哪些,廢舊電池的危害在哪里……帶著這些問題,我們開展了這一課題的研究。 二、研究方案的設(shè)計(jì)
1.研究目的
(1)認(rèn)識電池的分類、構(gòu)造,基本工作原理,主要用途及對環(huán)境的危害。通過回收干電池,防治污染,變廢為寶,增強(qiáng)環(huán)保意識。
(2)根據(jù)C、MnO2、NH4Cl、ZnCl2等物質(zhì)差異,聯(lián)系溶解、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶、加熱、灼燒等操作,探索將這幾種物質(zhì)從混合物中逐一分離出來的方法及NH4+、Zn2+、MnO2的檢驗(yàn)操作。
(3)通過實(shí)驗(yàn)感悟求知過程,拓展所學(xué)的知識,鞏固實(shí)驗(yàn)操作技能,鍛煉思維品質(zhì),培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
(4)了解我國廢舊電池的回收情況以及回收存在的困難,廢舊電池的回收利用技術(shù)等。
2.研究方法
文獻(xiàn)法、實(shí)驗(yàn)法、市場調(diào)查法。
3.研究過程
(1)準(zhǔn)備。確定子課題:①電池的種類,②干電池的結(jié)構(gòu),③廢舊電池的危害,④廢舊電池的回收及利用。
(2)分子課題開展實(shí)驗(yàn)活動。
(3)集中交流與討論。
4.總結(jié)研究成果。以小論文、市場調(diào)研表、實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式完成。
三、研究方案的實(shí)施
1.實(shí)驗(yàn)過程
學(xué)生分子課題落實(shí)任務(wù)后,立即開展行動。①④兩個(gè)子課題的同學(xué)查閱大量的電子、教育、機(jī)械、衛(wèi)生等方面的書籍,利用學(xué)校的電子閱覽室,下載了大量有關(guān)常見電池的介紹、電池發(fā)明、發(fā)展史、廢舊電池對環(huán)境的危害及回收技術(shù)等資料。②③兩個(gè)子課題的同學(xué)提前一周收集了廢舊干電池,帶著極大的好奇心,興致勃勃地動手“解剖”干電池。
【操作】用鉗子和剪刀剪開鋅筒,將鋅皮和碳棒分離出來,用毛刷洗干凈,電池內(nèi)黑色粉末用藥匙移入小燒杯,其余雜物放入廢物箱。
【討論】電池內(nèi)的黑色粉末包括哪些成分?哪些成分能被回收利用?電池的正負(fù)極電極反應(yīng)分別是什么?
【結(jié)論】干電池是以Zn皮制成的圓筒形外殼作負(fù)極,頂端附有銅帽的石墨碳棒作正極,筒內(nèi)填充ZnO、NH4Cl和淀粉糊的混合物,在石墨正極附近又裹著一層粉末狀的MnO2。
干電池的兩極反應(yīng)為:
負(fù)極:Zn-2e-=2Zn2+
正極:2NH4++2e-=2NH3+H2
MnO2作為去氫劑,把新生成的“活性氫”氧化成水H2+2MnO2=Mn2O3+H2O,氨則與Zn2+結(jié)合成[Zn(NH3)4]2+。
面對自己解剖得到的產(chǎn)物,學(xué)生非常興奮,對于鋅皮,他們知道可以制氫氣；碳棒可作電極,二氧化錳可作制O2的催化劑,那么剩下的黑色物質(zhì)還有什么成分,又有什么用途。對于他們的提問,我暗示他們用學(xué)過的化學(xué)知識來操作鑒定。
【操作】取固體溶于水,用玻璃棒攪拌,過濾,得到無色濾液和黑色濾渣,加熱,蒸發(fā)濾液至有晶體為止,得白色晶體；將濾渣加熱,蒸干,得到黑色固體。將白色晶體用溫水溶解,將濕潤的紅色石蕊試紙貼在表面皿底,蓋在小燒杯口。
現(xiàn)象:試紙變藍(lán)色,還可聞到刺激性氣味。
說明:干電池內(nèi)有NH4+。
將少量黑色固體加入裝有H2O2的試管,并將一支帶火星的木條放入試管口。
現(xiàn)象:試管內(nèi)有大量氣泡產(chǎn)生,帶火星的木條復(fù)燃。
說明:木條復(fù)燃,證明有O2產(chǎn)生,一定有起催化作用的物質(zhì)。
附圖　實(shí)驗(yàn)裝置
【思考】如何提純NH4Cl。學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)
驗(yàn)裝置如附圖。

【討論】如何用所回收的材料設(shè)計(jì)原電池裝置。
四、研究成果與收獲
1.通過解剖,學(xué)生掌握了電池的構(gòu)造,了解了電池的工作原理,同時(shí)利用所回收的材料再次組裝原電池。
2.通過對資料的查閱,學(xué)生了解到廢舊電池對人類的危害。
廢舊電池中含有Hg、Pb、Cr、Ni等金屬及酸堿鹽等電解質(zhì)溶液,對人體及生態(tài)環(huán)境有不同程度的危害。有資料顯示,一節(jié)一號電池爛在地里,能使一大片的土壤永遠(yuǎn)失去利用價(jià)值；一粒紐扣電池可使600t水受到污染,相當(dāng)于一個(gè)人一生的飲水量。若將廢舊電池混入生活垃圾一起填埋或隨手丟棄,滲出的Hg及重金屬物質(zhì)會滲透于土壤,污染地下水,進(jìn)而進(jìn)入魚類、農(nóng)作物中,破壞人類的生存環(huán)境。人體吸收到這些重金屬后,Hg會破壞人體中樞神經(jīng),Cr易引起人體慢性中毒,主要病癥有肺氣腫、骨質(zhì)鈣化、貧血甚至造成人體癱瘓；而Pb進(jìn)入人體最難排泄,它會干擾腎功能、生殖功能等。
3.拓寬了知識面,鍛煉了學(xué)生收集、處理信息的能力。
在進(jìn)行干電池的解剖研究和廢舊電池的回收調(diào)查中,學(xué)生學(xué)會了簡單的調(diào)查、分類、分析、比較等知識,了解到鋅錳干電池的電池表示式為Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2；鋅銀電池Zn|KOH|Ag2O；鋰電池Li|MnO2；Li|CF2；鋅空氣電池Zn|KOH|O2；還有諸如海水電池,新型燃料電池,紐扣電池等。知道了1958年世界上第一個(gè)心臟起搏器內(nèi)安裝了壽命最長、可靠性最高的鋰碳電池,這種電池在火箭、移動電話、筆記本電腦中廣泛使用。再比如廢舊電池的回收有濕法冶金、常壓冶金等。厚街中學(xué)高二(5)班的同學(xué)通過問卷、走訪、查閱文獻(xiàn)等,用幾個(gè)月的時(shí)間完成了“關(guān)于廢舊電池現(xiàn)狀調(diào)查與研究”的調(diào)查報(bào)告。結(jié)論是我國廢舊電池回收率只有1%~2%,他們對廢舊電池危害大而回收現(xiàn)狀差感到震驚。五名中學(xué)生在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),有近八成的居民認(rèn)為廢舊電池回收活動“與自己無關(guān)”或“沒時(shí)間參加”,有87%的居民將廢舊電池與生活垃圾一起丟棄。
五、研究體會
通過調(diào)查,學(xué)生自發(fā)收集了關(guān)于廢舊電池的危害、回收及再利用等資料,并把這些材料裝訂成冊,分小區(qū)發(fā)小冊子并在居民小區(qū)設(shè)立了廢舊電池回收箱。同時(shí)向政府提出倡議,研發(fā)環(huán)保電池,電池生產(chǎn)廠家必須有相應(yīng)的廢舊電池處理能力與再生能力,電池銷售商應(yīng)采取措施(如以優(yōu)惠價(jià)以舊換新等)以鼓勵(lì)電池回收并在電池上貼上電池回收種類,標(biāo)明其成分。消費(fèi)者可以拒絕購買無正確標(biāo)識的電池產(chǎn)品。學(xué)生明白一個(gè)小小的電池竟然蘊(yùn)藏如此多的學(xué)問,這增強(qiáng)了他們科學(xué)研究的信心,在研究過程中,學(xué)生在查找資料與實(shí)驗(yàn)中也遇到了一定的困難,但在全體同學(xué)的團(tuán)結(jié)合作下,他們解決了困難。培育科學(xué)的人生觀和世界觀,從我做起,從身邊的科學(xué)問起,保護(hù)環(huán)境,人人有責(zé)。