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燃料電池電極反應(yīng)式的書寫
燃料電池電極反應(yīng)式的書寫
燃料電池電極反應(yīng)式的書寫是中學化學教學的難點，也是高考化學的�？伎键c之一，在書寫時學生往往易錯。參加北大附中課堂教學培訓(xùn)，感悟最深的是桑老師對燃料電池電極反應(yīng)式的復(fù)習的處理，其復(fù)習教學設(shè)計如下：
一、首先分清原電池的正、負極均為惰性電極，電極均不參與反應(yīng)。
二、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，其負極電極反應(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- + H+== 4H2O
（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- （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-==2 CO32-（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-
三、負極發(fā)生氧化反應(yīng),負極生成的離子一般與正極產(chǎn)場結(jié)合，有以下幾種情況：
(1)若負極通入的氣體是氫氣,則 ①酸性液中 H2 - 2e- == 2H+
②堿性溶液中 H2 - 2e- + 2OH- == 2H2O ③熔融氧化物中 H2 - 2e- + O2- == H2O
(2) 若負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有水生成。
如CH3OH燃料電池：
酸性溶液中負極反應(yīng)式為:：CH3OH - 6e- + H2O == CO2↑ + 6H+ 堿性溶浚中負極反應(yīng)式為：CH3OH - 8e- + 10OH- == CO32-+ 7H2O
氫氧燃料電池
氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑（Pt）或石墨做電極材料，負極通入H2，正極通入 O2，
總反應(yīng)為：2H2 + O2 === 2H2O
電極反應(yīng)特別要注意電解質(zhì)，有下列三種情況： 1．電解質(zhì)是KOH溶液（堿性電解質(zhì)）
負極發(fā)生的反應(yīng)為：H2 – 2e- === 2H+ ,2H+ + 2OH- === 2H2O,所以：負極的電極反應(yīng)式為：H2 – 2e- + 2OH- === 2H2O；
正極是O2得到電子，即：O2 + 4e- === 2O2- ，O2- 在堿性條件下不能單獨存在，只能結(jié)合H2O生成OH-即：2O2- + 2H2O === 4OH- ，因此，正極的電極反應(yīng)式為：O2 +2H2O + 4e- === 4OH- 。 2．電解質(zhì)是H2SO4溶液（酸性電解質(zhì)） 負極的電極反應(yīng)式為：H2–2e- === 2H+
正極是O2得到電子，即：O2 + 4e- === 2O2- ，O2- 在酸性條件下不能單獨存在，只能結(jié)合H+生成H2O即：O2- + 2 H+ === H2O，因此 正極的電極反應(yīng)式為：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O(O2 + 4e- === 2O2- ，2O2- + 4H+ === 2H2O)
3. 電解質(zhì)是NaCl溶液（中性電解質(zhì)） 負極的電極反應(yīng)式為：H2–2e- === 2H+ 正極的電極反應(yīng)式為：O2 +2H2O + 4e- === 4OH- 說明：1.堿性溶液反應(yīng)物、生成物中均無H+ 2.酸性溶液反應(yīng)物、生成物中均無OH-
3.中性溶液反應(yīng)物中無H+ 和OH- 4.水溶液中不能出現(xiàn)O2-
甲醇燃料電池
甲醇燃料電池以鉑為兩極,用堿或酸作為電解質(zhì)： 1． 堿性電解質(zhì)（KOH溶液為例）
總反應(yīng)式：2CH4O + 3O2 +4KOH === 2K2CO3 + 6H2O 正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e- + 6H20===12OH- 負極的電極反應(yīng)式為：CH4O -6e-+8OH- === CO32- + 6H2O
2. 酸性電解質(zhì)（H2SO4溶液為例） 總反應(yīng): 2CH4O + 3O2 === 2CO2 + 4H2O
正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+12H+ === 6H2O 負極的電極反應(yīng)式為：2CH4O-12e-+2H2O === 12H++ 2CO2 說明：乙醇燃料電池與甲醇燃料電池原理基本相同
甲烷燃料電池
甲烷燃料電池以多孔鎳板為兩極,電解質(zhì)溶液為KOH，生成的CO2還要與KOH反應(yīng)生成K2CO3，所以總反應(yīng)為：CH4 + 2KOH+ 2O2 === K2CO3 + 3H2O。
負極發(fā)生的反應(yīng)：CH4 – 8e- + 8OH- ==CO2 + 6H2O CO2 + 2OH- == CO32- + H2O，所以：
負極的電極反應(yīng)式為：CH4 + 10 OH-– 8e- === CO32- + 7H2O 正極發(fā)生的反應(yīng)有：O2 + 4e- === 2O2- 和O2- +2H2O === 4OH- 所以：
正極的電極反應(yīng)式為：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-
說明：掌握了甲烷燃料電池的電極反應(yīng)式，就掌握了其它氣態(tài)烴燃料電池的電極反應(yīng)式
四、鋁–空氣–海水電池
我國首創(chuàng)以鋁–空氣–海水電池作為能源的新型海水標志燈，以海水為電解質(zhì)，靠空氣中的氧氣使鋁不斷被氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，就會發(fā)出耀眼的白光。
電源負極材料為：鋁；電源正極材料為：石墨、鉑網(wǎng)等能導(dǎo)電的惰性材料。
負極的電極反應(yīng)式為：4Al－12e－===4Al3+； 正極的電極反應(yīng)式為：3O2+6H2O+12e－===12OH－ 總反應(yīng)式為：4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3
說明:鋁板要及時更換, 鉑做成網(wǎng)狀是為了增大與氧氣的接觸面積.
燃料電池的負極反應(yīng)，一般較難寫出，而正極反應(yīng)和電池總反應(yīng)卻較易寫出。在堿性條件正極反應(yīng)為：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-；因此這類燃料電池的電極反應(yīng)書寫方法為：用電池總反應(yīng)減去正極反應(yīng)可得負極反應(yīng)，這是寫負極反應(yīng)式的一種巧妙方法。如：
某原電池中盛有KOH濃溶液，若分別向負極通入以下可燃性氣體，向正極通入O2，則電路中就有電流燃料電池電極反應(yīng)式的書寫通過，試完成下列問題：
以④為例講解此類電極反應(yīng)的書寫： 方法一：直接書寫負極反應(yīng)步驟：①2
CH3OH+_____-12e-=2CO32-+______（抓住總反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)） ②根據(jù)電極反應(yīng)式左右同電性等電量原則確定OH-數(shù)：將左端“-12e- ”移到右端看成“2CO32- + 12e- ”即共16個負電荷，故左端應(yīng)有“16 OH-” ③由“H”確定“H2O”的系數(shù)應(yīng)為12。因此負極的電極反應(yīng)為“2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H2O”
方法二：先根據(jù)總反應(yīng)寫出正極反應(yīng)：“3O2 +6H2O +12e- = 12OH-”，然后用總反應(yīng)式：“2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O”減去正極反應(yīng)即可得負極反應(yīng)。 練習:
2、寫出乙烷，空氣，KOH組成的燃料電池的電極反應(yīng)。
3、
寫甲烷燃料電池在固體電解質(zhì)（高溫下能傳導(dǎo)O2-）下的電極反應(yīng)式
答案： 正極反應(yīng)：O2+4e-=202- 負極反應(yīng)：CH4+4O2--8e-=CO2+2H2O 4、寫甲烷燃料電池在熔融碳酸鹽（如：熔融K2CO3）環(huán)境下的電極反應(yīng)式
2?
負極反應(yīng)式：2?
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