镍镉蓄电池的化学反应式
正极方面,NiO(OH)作为正极活性物质,在放电过程中会被还原。参考内容里的正极反应式是NiO(OH) + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-。这里每个NiO(OH)得到一个电子,所以总反应中需要两个正极反应来平衡两个电子,因为负极释放两个电子。因此,总反应式中的正极部分需要乘以2,这样总反应式中的电子才能平衡。
总反应式应该将正极和负极的反应相加,同时消除电子。负极释放两个电子,正极每个反应消耗一个,所以需要两个正极反应。总反应式应该是Cd + 2NiO(OH) + 2H2O → Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2,这与用户提供的参考内容一致。
另外,充电反应应该是放电反应的逆过程,所以总充电反应式就是将放电的总反应式反过来写,并注明充电条件。因此,充电时总反应式是Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 → Cd + 2NiO(OH) + 2H2O,需要通电。
需要注意的是,电解质是碱性溶液,通常是KOH或NaOH,所以在反应式中会有OH-参与。同时,电解液中的水在放电时被消耗,充电时生成,因此浓度变化不大,这也是镍镉电池的一个特点。
现在要确保各个反应式的电荷和原子数是否平衡。例如,在负极反应中,Cd变成Cd²+,然后结合两个OH-生成Cd(OH)2,同时释放两个电子。电荷方面,左边是Cd(0)和2OH-(-2),总电荷-2;右边是Cd(OH)2(中性)和2e-(-2),所以电荷平衡。正极反应中,NiO(OH)中的Ni是+3价,反应后变成Ni(OH)2中的Ni是+2价,每个得到一个电子。左边的电荷是NiO(OH)(假设结构中的电荷为中性),加上H2O(中性)和e-(-1),总电荷-1;右边是Ni(OH)2(中性)和OH-(-1),电荷也平衡。
镍镉电池通过镉和羟基氧化镍的可逆反应实现能量存储与释放,其核心反应式如下:
放电:$$\text{Cd} + 2\text{NiO(OH)} + 2\text{H}_2\text{O} → \text{Cd(OH)}_2 + 2\text{Ni(OH)}_2$$
充电:$$\text{Cd(OH)}_2 + 2\text{Ni(OH)}_2 → \text{Cd} + 2\text{NiO(OH)} + 2\text{H}_2\text{O}$$
该体系因循环寿命长、耐过充放等优点被广泛应用,但需注意镉的毒性及记忆效应问题。