对碱性Zn—MnO2电池有关问题的探讨

2012年全国新课程理综高考化学试题涉及了碱性Zn-MnO2电池反应的问题，笔者发现这一问题在不同的教材中出现了不同的表述，而且高考过后会有更多的教师和学生对碱性Zn-MnO2电池反应机理给予关注，因此深入研究碱性Zn-MnO2电池反应机理是非常必要的，对此分析如下。

1 三种教材对碱性Zn-MnO2电池反应问题的分析

（1）普通高中课程标准实验教科书《化学反应原理》选修4（人教版）

认为碱性Zn-MnO2电池是一次性电池，该电池负极为Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，同时也分析了该电池的有关反应。

负极：Zn+2OH--2e-=Zn（OH）2

正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

总化学反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2

（2）普通高中课程标准实验教科书《化学反应原理》选修（鲁教版）

认为碱性Zn-MnO2电池具有大电流、连续放电的特点，并且进一步指出可充电的Zn-MnO2电池近年来已有问世，也给出了有关电池反应。

负极：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O

正极：MnO2+2H2O+2e-=Mn（OH）2+2OH-

总化学反应：Zn+MnO2+H2O=Mn（OH）2+ZnO

（3）普通高中课程标准实验教科书《化学反应原理》选修（苏教版）

认为碱性Zn-MnO2电池的比能量大，能提供较大的电流并连续放电，该教材把正负极放电的反应式设计成了学生练习的形式，以填空的方式给出，只是给出了电池总的化学发应。

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2

三种版本的教材在选修课中对ZnO、Zn（OH）2的两性处理上都有讨论，特别是鲁教版直接给出了体现两性的化学方程式，这就意味着有一定数量的同学有着相对完整的ZnO、Zn（OH）2的知识。

2 对碱性Zn-MnO2电池反应问题的分析

一般认为碱性Zn-MnO2电池可以表示为：（-）Zn︱KOH（10mol/L）︱MnO2（+）结合这种实际情况对碱性Zn-MnO2电池有关反应分析如下。

2.1 碱性Zn-MnO2电池负极反应

在碱性电解液中，锌电极的反应式是很复杂的，有关研究利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）分析了在浓碱条件下放电后锌电极表面的组成，并提出了浓碱条件下锌电极放电的机理。

其中上述机理中的后4步能否进行取决于电池的设计，如果负极是锌粉与ZnO混合而成，则上面机理中第一步生成的Zn（OH）2-4则不会分解进行后续的环节，也有研究认为在锌的反应中，反应的产物会随碱溶液的浓度而变化，当碱溶液为低浓度时（7.5mol/L），沉淀物为氧化锌。

2.2 碱性Zn-MnO2电池正极反应

有关研究认为Zn-MnO2电池正极在碱性溶液中电极行为可按下述机理加以解释：第一步为电子——质子机理进行固相反应，第二步为可溶性粒子的液固反应，具体情况如下。

第一步反应：MnO2（s）+H2O+e-MnOOH（s）+OH-

MnOOH（s）+OH-+H2OMnOH）-4（L）

第二步反应：MnOH）-4（L）+e-MnOH）2-4（L）

MnOH）2-4（L）Mn（OH）2（s）+2OH-

2.3 碱性Zn-MnO2电池持续放电机理

负极产物Zn（OH）2-4在10mol/L KOH溶液中将形成放电的最终产物ZnO，而ZnO是两性物质同溶液中的OH-之间存在平衡Zn（OH）2-4ZnO+H2O+2OH-，进而保证负极总反应Zn+2OH--2e-ZnO+H2O持续进行；正极生成的MnOOH（s）一方面通过质子-电子机理向电极内部转移使MnO2（s）MnOOH（s），另一方面通过MnOOH（s）+OH-+H2OMnOH）-4（L）、MnOH）-4（L）+e-MnOH）2-4（L）、MnOH）2-4（L）Mn（OH）2（s）+2OH-转化，正极反应的最终产物是Mn（OH）2（s），这个过程也保证了2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-的持续进行，一般认为：Zn-MnO2电池正极反应主要是通过2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-进行，同时也应该注意到Zn-MnO2电池的总反应是Zn+2MnO2+H2O2MnOOH+ZnO，KOH只起导电作用（即使考虑到自放电）。

3 对碱性Zn-MnO2电池教学的建议

不同版本的高中化学教材对同一问题的描述不尽相同，哪种教材描述更准确便成为人们关心的问题，笔者认为随着碱性Zn-MnO2电池放电深度的不同，电极反应还在变化，电池反应也在变化，要想确定唯一的电池反应是不现实的，这就是不同版本的教材对同一问题不同描述的原因，因此对学生教学也需要结合电池反应的实际情况说明电池正负极反应产物的可能性，结合前面分析可以得出如下结论。

（1）正极反应产物可以是MnOOH、Mn（OH）2，在电池反应描述上MnOOH更好一些；

（2）负极反应产物可以是ZnO、Zn（OH）2，在电池反应描述上ZnO更好一些；

（3）碱性Zn-MnO2电池电解质为10mol/L KOH 溶液；

（4）一般情况下Zn-MnO2电池放电时的相关反应可以表示为如下形式：

负极：Zn+2OH--2e-ZnO+H2O；

正极：2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-；

电池总反应：Zn+2MnO2+H2O2MnOOH+ZnO。