解析高考燃料電池的電極反應(yīng)式書寫

摘 要: 原電池知識(shí)是中學(xué)化學(xué)中的重要基本概念，也是近年來高考的熱點(diǎn)。在學(xué)習(xí)原電池知識(shí)時(shí)，學(xué)生最感到困難的是電極反應(yīng)式的書寫。特別是燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫，本文主要解析高考常考燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫。

關(guān)鍵詞: 化學(xué)新課程 燃料電池 電極反應(yīng)式

隨著課程改革的逐步推進(jìn)，化學(xué)新課程教材中的選修模塊《化學(xué)反應(yīng)原理》成了高考必考模塊。由于國際市場原油價(jià)格居高不下，新型能源的研究迫在眉睫。燃料電池因其能量利用率高而頗受人們關(guān)注，成為近一段時(shí)期高考熱點(diǎn)問題。那么什么是燃料電池，燃料電池的工作原理是什么，電極反應(yīng)式如何正確書寫?下面我結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借助例題來談?wù)勥@類試題的解答方法。

—、認(rèn)識(shí)燃料電池

燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，它可以將貯存在燃料(如H、CH、乙醇等)和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它由燃料、氧化劑、電極、電解質(zhì)組成。所有燃料電池的基本形式為:將燃料和氧氣(或空氣)分別充入負(fù)極和正極，兩者在電極的催化作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電流。在不斷補(bǔ)充燃料和氧氣(或空氣)的條件下，燃料電池可連續(xù)發(fā)電。因此，它不同于需要間斷充電的蓄電池，也不同于一次性電池。這種電池能量利用率可高達(dá)80%(一般柴油發(fā)電機(jī)只有40%左右)，反應(yīng)產(chǎn)物的污染也少。高考燃料電池根據(jù)采用的電解質(zhì)不同分為:(1)堿性燃料電池;(2)酸性溶液燃料電池;(3)熔融鹽燃料電池;(4)固體氧化物燃料電池;(5)質(zhì)子交換膜燃料電池。

燃料電池的原理并不復(fù)雜。以氫—氧燃料電池為例，當(dāng)氫氣被送到負(fù)極通道，由于負(fù)極催化劑的作用，氫分子(H)發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，生成帶正電荷的H，H進(jìn)入電解液中，電子(e)則通過外電路流向正極，產(chǎn)生電流。正極區(qū)的氧同電解液中的H吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。

二、燃料電池的常考類型和解題方法

燃料電池雖然是一種不經(jīng)過燃燒而轉(zhuǎn)化電能的裝置，但其在放電時(shí)發(fā)生的總反應(yīng)和燃料燃燒時(shí)的總反應(yīng)一樣(如生成物與電解液能繼續(xù)反應(yīng)的要考慮繼續(xù)反應(yīng))。一般是O為氧化劑，可燃物為還原劑。我們可以利用這一點(diǎn)進(jìn)行解題。根據(jù)原電池的基本原理，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，所以可燃物為負(fù)極反應(yīng)物，O為正極反應(yīng)物。燃料電池電極式書寫非常好的解決方法是“燃燒總反應(yīng)法”，即“燃燒總反應(yīng)式-固定正極反應(yīng)式=負(fù)極反應(yīng)式”(總反應(yīng)式有離子反應(yīng)最好寫離子方程式)

1.堿性溶液燃料電池(如電解質(zhì)溶液為KOH溶液或NaOH溶液，電極為惰性電極)。

固定正極反應(yīng)式:O+2HO+4e=4OH

反應(yīng)過程:O+4e=2O，2O+2HO=4OH

O在堿性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合HO生成OH。

例:

CHOH|KOH(aq)|O

總反應(yīng)式:2CHOH+3O+4OH=2CO+6HO。

(反應(yīng)過程:2CHOH+3O=2CO+4HO，2CO+4OH=2CO+2HO)

正極反應(yīng)式:3O+6HO+12e=12OH

(O+2HO+4e=4OH)

負(fù)極反應(yīng)式:2CHOH+16OH-12e=2CO+12HO

(CHOH+8OH-6e=CO+6HO)

電解液pH變化:pH變小。(從總反應(yīng)看，既反應(yīng)了堿又生成水，使電解液堿性減弱)

2.酸性溶液燃料電池(如電解質(zhì)溶液為HSO溶液或HPO溶液，電極為惰性電極)。

固定正極反應(yīng)式:O+4H+4e=2HO

反應(yīng)過程:O+4e=2O，2O+4H=2HO

O在酸性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合H生成HO。

例:

CHCHOH|HSO(30%)|O

總反應(yīng)式:CHCHOH+3O=2CO+3HO。

反應(yīng)過程:CHCHOH+3O=2CO+3HO，生成物不與電解液反應(yīng)此反應(yīng)，即為總反應(yīng)式。

正極反應(yīng)式:3O+12+12e=6HO

(O+4H+4e=2HO)

負(fù)極反應(yīng)式:CHCHOH+3HO-12e=2CO+12H

電解液pH變化:pH變大。(從總反應(yīng)看，反應(yīng)生成水，稀釋電解液，使電解液酸性減弱)

3.熔融鹽燃料電池(熔融KCO或LiCO或LiCO—NaCO)。

固定正極反應(yīng)式:O+4e+2CO=2CO

例:

熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用LiCO和NaCO的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為陽極燃?xì)猓諝馀cCO的混合氣為陰極助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式:

總反應(yīng)式:2CO+O=2CO。

正極反應(yīng)式:O+4e+2CO=2CO

負(fù)極反應(yīng)式:2CO+2CO-4e=4CO

(CO+CO-2e=2CO)

4.固體氧化物燃料電池(電池的電解質(zhì)傳遞O)。

固定正極反應(yīng)式:O+4e=2O

例:

一個(gè)電極通入空氣，另一個(gè)電極通入CH，電池的電解質(zhì)是摻雜了YO的ZrO晶體，它在高溫下能傳遞O。

總反應(yīng)式:CH+2O=CO+2HO。

正極反應(yīng)式:2O+8e=4O

(O+4e=2O)

負(fù)極反應(yīng)式:CH+4O-8e=CO+2HO

5.質(zhì)子交換膜燃料電池(膜只傳遞質(zhì)子即H)。

質(zhì)子交換膜燃料電池，是一種新型燃料電池，其電解質(zhì)是一種固體有機(jī)膜，在增濕情況下，膜只傳導(dǎo)質(zhì)子。它一般用鉑做催化劑，工作環(huán)境溫度一般為60—80℃，屬低溫燃料電池。

質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由膜電極、密封圈、和帶有導(dǎo)氣通道的流場板組成。膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部分，中間是一層很薄的膜——質(zhì)子交換膜，這種膜不傳導(dǎo)電子，是氫離子的優(yōu)良導(dǎo)體，它既作為電解質(zhì)提供氫離子的通道，又作為隔膜隔離兩極反應(yīng)氣體。膜的兩邊是氣體電極，由碳紙和催化劑組成，負(fù)極為燃料電極，正極為氧電極。流場板通常由石墨制成。多個(gè)電池單體根據(jù)需要串聯(lián)或并聯(lián)，組成不同功率的電池組(電堆)。

例:

H/O(電解質(zhì)為質(zhì)子交換膜)

正極:O+4e+4H=2HO

總反應(yīng)式:2H+O=2HO

正極:O+4H+4e=2HO

負(fù)極:2H-4e=4H

(H-2e=2H)

總之，對(duì)于原電池的電極反應(yīng)式的書寫來說，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，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，正負(fù)極也能找到，就是寫不出電極反應(yīng)式。負(fù)極失電子正極得電子都知道，卻忽略了得失電子變成離子后要進(jìn)入溶液中，如果溶液中存在的離子與在正極負(fù)極得失電子變成的離子不能共存，則要繼續(xù)反應(yīng)，反之，不反應(yīng)共存于溶液中。如果能分析清楚這些，那么難題也就迎刃而解了。

參考文獻(xiàn):

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[2]段茂連.幾種新型燃料電池電極反應(yīng)式的書寫.試題與研究.教學(xué)論壇.中學(xué)生學(xué)習(xí)報(bào)社，2010，(5).

[3]全國及各省市高考試題.