探究燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法和技巧

梁淑培

摘 要：燃料電池電極反應(yīng)式的書寫倍受命題人的青睞，是近年來高考中高頻考點(diǎn)之一，也是學(xué)生感到困難的部分之一，由于題材廣、信息新、陌生度大，很多學(xué)生做到這類試題時感到難解，在解題時無從下手。在高考理綜考試答題中由于時間緊、學(xué)生書寫易錯率高，目前輔導(dǎo)書籍上的講法良莠不齊，為了幫助同學(xué)們準(zhǔn)確快速把握這類電池的電極反應(yīng)式的寫法，筆者根據(jù)自己多年教學(xué)成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合近六年來新課改和五屆高三的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自己的教學(xué)體會談?wù)剚砣剂想姵仉姌O反應(yīng)式的書寫方法和技巧，供大家參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池；電極反應(yīng)式書寫；技巧

所有燃料電池的工作原理都是一樣的，即氧化還原反應(yīng)，而氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是：反應(yīng)過程中有電子的得失或轉(zhuǎn)移，其特征是反應(yīng)前后元素的化合價(jià)發(fā)生改變，因此，只要根據(jù)負(fù)極燃料燃燒前后元素化合價(jià)的變化即可直接書寫電極反應(yīng)式，其電極反應(yīng)的書寫同樣是有規(guī)律可循的。所有的燃料電池的工作原理書寫燃料電池電極反應(yīng)式的步驟類似于普通原電池。

一、燃料電池電極反應(yīng)式書寫方法

1.列物質(zhì)，標(biāo)得失 （列出電極上的物質(zhì)變化，根據(jù)價(jià)態(tài)變化標(biāo)明電子得失）。

2.選離子，配電荷 （根據(jù)介質(zhì)選擇合適的離子，配平電荷，使符合電荷守恒）。

3.巧用水，配個數(shù) （通常介質(zhì)為水溶液，可選用水配平質(zhì)量守恒）。

二、燃料電池電極反應(yīng)式書寫實(shí)例探究

例1.氫氧燃料電池（以惰性金屬鉑做電極，H2燃料在不同電解質(zhì)中的電極反應(yīng)）

中性電解質(zhì)溶液中（NaCl溶液為例），負(fù)極通入H2，正極通入O2，正極反應(yīng)O2得到電子首先變?yōu)镺2-，O2-與中性電解質(zhì)溶液中H2O結(jié)合生成OH- ，或者最好讓學(xué)生記住規(guī)律，有O2參加的正極反應(yīng)記為：吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH-，故正極反應(yīng)式為：O2+2H2O + 4e- = 4 OH- ；在負(fù)極上1mol H2 失去 2mole- 生成2mol H+ ，根據(jù)電子守恒，其負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e- = 4H+ ，總反應(yīng)式為：2H2 + O2 = 2H2O 。

例2.含碳燃料電池（以石墨做電極，CH4 燃料在不同電解質(zhì)中的電極反應(yīng)）

酸性電解質(zhì)溶液中（H2SO4溶液為例），負(fù)極反應(yīng)物CH4中碳元素的化合價(jià)為-4價(jià)，生成物為CO2 ，其碳元素化合價(jià)為+4價(jià)，反應(yīng)過程中碳元素的化合價(jià)升高8 ，所以負(fù)極1mol CH4失去的電子數(shù)為8mol ，故負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH4–8e- + 2H2O = CO2+ 8H+，正極氧氣得到電子首先變?yōu)檠蹼x子，在酸性溶液中生成的氧離子與氫離子結(jié)合生成水，根據(jù)電子守恒，其正極反應(yīng)式為： 2O2+ 8e- +8H+ = 4H2O；總反應(yīng)式為：CH4+2O2=CO2+2H2O 。

例3.肼燃料電池（以惰性金屬鉑為兩極，N2H4 燃料在不同電解質(zhì)中的電極反應(yīng)）

酸性電解質(zhì)溶液中（H2SO4溶液為例），負(fù)極反應(yīng)N2H4中氮元素的化合價(jià)為-2價(jià)，生成物為N2 ，其氮元素化合價(jià)為 0 價(jià)，反應(yīng)過程中氮元素的化合價(jià)升高2 ，所以負(fù)極1mol N2H4失去的電子數(shù)為4mol，故負(fù)極的電極反應(yīng)式為：N2H4–4e- = N2 + 4H+ ；正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，正極氧氣得到電子首先變?yōu)檠蹼x子，在酸性溶液中生成的氧離子與氫離子結(jié)合生成水或者記口訣（吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH- ，在酸性電解質(zhì)溶液中正極生成OH-與酸性電解質(zhì)溶液中的H+生成H2O ），其正極的電極反應(yīng)式為：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O ；總反應(yīng)式為：N2H4 + O2 = N2 + 2H2O 。

例4.氨氣燃料電池（以惰性金屬鉑為兩極，NH3 燃料在電解質(zhì)為KOH溶液中的電極反應(yīng)）

NH3 燃料電池負(fù)極反應(yīng)是還原劑NH3中氮失去電子被氧化N2 ，負(fù)極反應(yīng)物NH3中氮元素的化合價(jià)為-3價(jià)，生成物為N2 ，反應(yīng)過程中氮元素的化合價(jià)升高3價(jià)，生成1mol N2負(fù)極失去的電子數(shù)為6mol，剩余的H+ 與堿性電解質(zhì)溶液中OH- 結(jié)合生成H2O ，根據(jù)質(zhì)量和電荷守恒，負(fù)極反應(yīng)式為：4NH3–12e- + 12OH- = 2N2 + 12H2O ，正極反應(yīng)式為：3O2+6H2O+12 e- =12OH- ，總反應(yīng)式為：4NH3+3O2 = 2N2 +6H2O 。

三、燃料電池電極反應(yīng)式書寫技巧

1.正極發(fā)生還原反應(yīng)，通入的氣體一般是氧氣，氧氣得到電子首先變?yōu)檠蹼x子，根據(jù)電解質(zhì)的不同，其正極電極反應(yīng)式書寫分以下幾種情況：

① 在酸性溶液中生成的氧離子與氫離子結(jié)合生成水，其電極反應(yīng)式為： O2+ 4e- + 4H+= 2H2O 。

② 在堿性溶液中，氧離子與氫氧根離子不能結(jié)合，只能與水結(jié)合生成氫氧根離子，其電極反應(yīng)式為： O2+4e- +2H2O=4OH- （有O2參加反應(yīng)記住：吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH-）。

③ 在熔融碳酸鹽中，氧離子與碳酸根離子不能結(jié)合，只能與二氧化碳結(jié)合生成碳酸根離子，其電極反應(yīng)式為：O2 + 2CO2 + 4e- = 2CO32- 。

④ 在熔融氧化物介質(zhì)中，氧氣得到電子轉(zhuǎn)化為氧離子，其電極反應(yīng)式為：O2 + 4e- = 2O2- 。

2.負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，有以下幾種情況：

① 若負(fù)極通入的氣體是氫氣，則在酸性溶液中： H2- 2e- = 2H+ ，在堿性溶液中：H2- 2e- + 2OH-= 2H2O ，在熔融氧化物中：H2 -2e- + O2-= H2O 。

② 若負(fù)極通入的氣體為含碳的化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均轉(zhuǎn)化為正四價(jià)碳的化合物、在酸性溶液中生成二氧化物氣體、在堿性溶液中生成碳酸根離子，熔融碳酸鹽中生成二氧化碳，熔融氧化物中生成碳酸根離子，含有氫元素的化合物最終都生成水。

3.書寫燃料電池的電極反應(yīng)式時，正極的產(chǎn)物作為負(fù)極的反應(yīng)物；堿性溶液反應(yīng)物、生成物中均無H+；酸性溶液反應(yīng)物、生成物中均無OH-；中性溶液反應(yīng)物中無H+ 和OH-；水溶液中不能出現(xiàn)O2-。

例如：甲醇燃料電池以鉑為兩極，CH3OH中碳元素的化合價(jià)為-2價(jià)，生成物CO2中碳元素化合價(jià)為+4價(jià)，反應(yīng)過程中碳元素的化合價(jià)升高6，負(fù)極1mol CH3OH失去的電子數(shù)為6mol，故電極反應(yīng)式為：

① 酸性電解質(zhì)溶液中（H2SO4溶液為例）負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH3OH -6e- +H2O =6H++ CO2，正極反應(yīng)式為：O2+4e- +4H+=2H2O ，根據(jù)電子守恒，總反應(yīng)式為：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O ；

② 堿性電解質(zhì)溶液中（KOH溶液為例）負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH3OH -6e- +8OH- = CO32-+ 6H2O ，正極反應(yīng)式為：O2 +2H20+4e- =4OH-，根據(jù)電子守恒，總反應(yīng)式為：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O 。

四、燃料電池電極反應(yīng)式書寫注意事項(xiàng)

1.通入可燃性氣體一定是電池的負(fù)極，失電子，元素化合價(jià)升高，發(fā)生氧化還原反應(yīng)；通氧化性氣體一定是電池的正極，得電子，化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)。

2.燃料電池兩電極材料一般都不參加反應(yīng)，反應(yīng)的是通到電極上的燃料和氧氣，兩電極只起催化和集流作用或電極本身僅起傳導(dǎo)電子的作用。

3.電極反應(yīng)式作為一種特殊的離子反應(yīng)方程式，也必須遵循原子守恒、電荷守恒。

4.寫電極反應(yīng)時，一定要注意電解質(zhì)是什么，在堿性電解質(zhì)中，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)氫離子，在酸性電解質(zhì)溶液中，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)氫氧根離子。

5.燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，正負(fù)兩極的電極反應(yīng)式在得失電子守恒的條件下，兩電極反應(yīng)式相加，消去電子后得電池總反應(yīng)式與燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式相同。