燃料電池電極反應(yīng)式書寫的方法

    長(zhǎng)泰二中:葉勇強(qiáng)

    原電池知識(shí)是中學(xué)化學(xué)的一個(gè)重要的組成部分，是高考?？嫉臒狳c(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)原電池時(shí)最難掌握的卻是燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫。我結(jié)合自己多年的教學(xué)體會(huì)，從以下幾點(diǎn)談?wù)勅剂想姵氐碾姌O反應(yīng)式的寫法，供大家參考。

    一、理解燃料電池的原理。

    首先，要清楚燃料電池的組成:它是由正極(氧化劑電極)、負(fù)極(燃料電極)和電解質(zhì)構(gòu)成。燃料由化石燃料以及由此得到的衍生物，如氫、肼、烴、煤氣等液體和氣體燃料;氧化劑僅限于純氧或空氣;電解質(zhì)類型通常有水劑體系(酸性、中性或堿性)的電解質(zhì)、熔融鹽的電解質(zhì)、固體(氧化物或質(zhì)子交換膜)的電解質(zhì)等。

    其次，要知道電池電極反應(yīng)的負(fù)極一定是可燃性物質(zhì)，它發(fā)生失電子的反應(yīng)，元素化合價(jià)升高，是氧化反應(yīng);正極一定是助燃性氣體，它發(fā)生得電子的反應(yīng)，元素化合價(jià)降低，是還原反應(yīng)。

    第三，寫電極反應(yīng)時(shí)，一定要注意電解質(zhì)是什么，其中的離子要和電極反應(yīng)中出現(xiàn)的離子相對(duì)應(yīng)，即在堿性電解質(zhì)中，電極反應(yīng)式不能出現(xiàn)氫離子，在酸性電解質(zhì)溶液中，電極反應(yīng)式不能出現(xiàn)氫氧根離子。

    第四，電極反應(yīng)式必須遵循原子守恒，得失電子守恒，電荷守恒。而且正負(fù)兩極的電極反應(yīng)式在得失電子守恒的條件下，相加后的電池反應(yīng)式必須是燃料燃燒反應(yīng)和燃料產(chǎn)物與電解質(zhì)反應(yīng)的相加反應(yīng)式。

    二、燃料電池電極反應(yīng)式的幾種類型。

    燃料電池的負(fù)極反應(yīng)，一般較難寫出，而正極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)式卻較易寫出。用電池總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可得負(fù)極反應(yīng)式，這是寫負(fù)極反應(yīng)式的一種簡(jiǎn)單且巧妙方法。但是大都情況下，題目給出的信息是不知電池的總反應(yīng)式，那么學(xué)生只能根據(jù)題目的信息，分析清楚燃料和電解質(zhì)的類型，從以下幾種方法來書寫。

    (一)、正極反應(yīng)式的書寫方法。

    燃料電池的正極一定是助燃性氣體，一般是氧氣。正極O獲得電子后，可以這樣2

    2,向?qū)W生解說，O得電子，若變成O后，只能在熔融狀態(tài)下存在，比如在熔融碳酸鹽狀2

     1

    2,，-2-態(tài)下，O，2CO +4e=2CO;在水溶液狀態(tài)下，O要么與H結(jié)合形成水，要么與HO2223

    ,，,結(jié)合形成OH，所以酸性條件下正極電極反應(yīng)式為O，4 H，4,,2HO，堿性條件下22

    ,,正極電極反應(yīng)式為O，2HO，4,,4 OH。 22

    (二)、負(fù)極反應(yīng)式的書寫方法。

    負(fù)極反應(yīng)式的書寫方法，要根據(jù)燃料的種類與燃料電池的電解質(zhì)類型二者結(jié)合，可歸納出以下幾種類型:

    1、燃料只含氫元素，實(shí)際上是氫氣的燃料的電池。

    這種電池的電解質(zhì)類型一般有兩種:一是電解質(zhì)為酸性溶液，二是電解質(zhì)為堿性

    ，溶液。可以這樣來引導(dǎo)學(xué)生理解，H失去電子后變成H，與酸性電解質(zhì)的溶液可以共2

    ,，存，則負(fù)極反應(yīng)式為H,2,,2 H，與堿性電解質(zhì)的溶液不能共存，則負(fù)極反應(yīng)式2

    ,,為H，2OH,2,,2HO; 22

    2、燃料由碳?xì)鋬稍鼗蛴商細(xì)溲跞N元素組成。

    燃料電池發(fā)生反應(yīng)分為兩種情形，電解質(zhì)為水溶液狀態(tài)和熔融狀態(tài)。水溶液狀態(tài)

    ，,2,,下，氫元素存在三種形式， H、OH、HO存在，碳元素同樣有三情形，CO、HCO、233

    ，2,CO。電解質(zhì)在熔融狀態(tài)下，氫元素一般于H存在，碳元素于CO或CO存在。學(xué)生一223旦理解這樣情況，再結(jié)合題目給出電解質(zhì)，應(yīng)能很快書寫出負(fù)極電極反應(yīng)式。

    例如:

    甲烷做為燃料的，電解質(zhì)為KOH溶液的燃料電池，一種方法可以這樣理解:CH4

    2,中C元素化合價(jià)為,4價(jià)，反應(yīng)后變?yōu)椋?/span>4價(jià)，在堿性介質(zhì)下只能以CO存在，碳原3子需結(jié)合氧原子形成碳酸根離子，則氧原子需從水分子或氫氧根離子處獲得，若從水分子中得到一個(gè)氧原子，余下是氫離子，在堿性介質(zhì)下是不可能存在，所以只能從氫氧根離子獲得氧原子，并生成水分子，氫離子與氫氧根離子結(jié)合生成水。氧氣獲得電

    2-,子變?yōu)?/span>O后在堿性介質(zhì)下只與水結(jié)合形成OH。因此不難寫出電極反應(yīng)式，負(fù)極反應(yīng)

    ,,,,2,式為:CH，10OH,8,,CO，5 HO;正極電極反應(yīng)式為:O，2HO，4,,4 OH。 43222

    2,另一種方法為:可以這樣理解成甲烷燃燒成CO在堿性介質(zhì)下會(huì)生成CO，所以23

    ,讓學(xué)生先寫出燃燒的化學(xué)方程式:CH，2 O,CO，2HO，再考慮CO與OH會(huì)反應(yīng)生成42222

    ,2,2,CO和HO，由總反應(yīng)方程式CH，2 O，2 OH,CO，3 HO，然后減去正極反應(yīng)式324232

    ,,O，2HO，4,,4 OH，也可得出負(fù)極反應(yīng)式。 22

     2

    三、燃料電池的電極反應(yīng)式的配平方法。

    燃料電池的電極反應(yīng)式的配平方法有許多種，直接得失電子守恒法、質(zhì)量守恒法、電荷守恒法等等。但在多年的教學(xué)中我總結(jié)了一種得失電子結(jié)合電荷守恒法，針對(duì)復(fù)雜燃料電池的電極反應(yīng)式的配平，學(xué)生容易掌握且行之有效，很實(shí)用。

    具體的配平方法如下面實(shí)例——甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)。在負(fù)極反應(yīng)中，甲烷被氧化為二氧化碳，二氧化碳在堿性條件不能存在，需結(jié)合氫氧根離子生成碳酸根離子。甲烷中碳元素化合價(jià)由-4價(jià)升高到碳酸根中的+4價(jià)，故1 mol

    -2-甲烷發(fā)生反應(yīng)失去8 mol電子，結(jié)合1 mol OH生成1 mol CO，再根據(jù)電荷守恒，電3

    -2-極反應(yīng)式右側(cè)1個(gè)CO帶兩個(gè)單位負(fù)電荷，故左側(cè)應(yīng)該有10個(gè) OH,帶有10個(gè)單位的3

    負(fù)電荷，扣除失去8個(gè)電子，余下有2個(gè)單位的負(fù)電荷，即電荷守恒，再根據(jù)原子守

    --2-恒，電極反應(yīng)式右側(cè)加上7 個(gè) HO。即得CH + 10OH - 8e = CO + 7HO。而正極的2432電極反應(yīng)式較為簡(jiǎn)單，這里就不再解析。

    再以甲醇燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)為例:負(fù)極反應(yīng)中CHOH中碳元素3化合價(jià)由-2價(jià)，被氧化為+4價(jià)的二氧化碳，在堿性條件下只能以碳酸根離子存在，故

    -2-1 mol甲醇發(fā)生反應(yīng)失去6 mol電子，結(jié)合1 mol OH生成1 mol CO，再根據(jù)電荷守3

    -2-恒，電極反應(yīng)式右側(cè)1個(gè)CO帶兩個(gè)單位負(fù)電荷，故左側(cè)應(yīng)該有8個(gè) OH,帶有8個(gè)單3

    位的負(fù)電荷，扣除失去6個(gè)電子，余下有2個(gè)單位的負(fù)電荷，即電荷守恒，再根據(jù)原

    --2-子守恒，電極反應(yīng)式右側(cè)加上7 mol HO。即得CHOH + 8OH - 6e = CO + 5HO。 2332

    綜上所述，燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫的方法，最重要的是明白原電池的工作原理，這一點(diǎn)對(duì)學(xué)生來說不難理解，正負(fù)極也能找到，但是對(duì)于有電解質(zhì)溶液參與的電極反應(yīng)來說就不知如何是好，就寫不出電極反應(yīng)式，如果能夠理解燃料電池的原理，分清燃料電池電極反應(yīng)式的幾種類型，掌握燃料電池的電極反應(yīng)式的配平方法，那么燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫這一難題也就迎刃而解了。

地址:福建省漳州市長(zhǎng)泰縣第二中學(xué)

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    投稿人:高中化學(xué)老師:葉勇強(qiáng)

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