用技巧書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式

祁美霞

【摘 要】《高中化學(xué)選修4》第四章《電化學(xué)基礎(chǔ)》中涉及電極反應(yīng)式及電極反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)，電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，也是高考化學(xué)的?？伎键c(diǎn)之一，在書(shū)寫(xiě)時(shí)學(xué)生往往易錯(cuò)，特別是燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。如何才能正確而又輕松地書(shū)寫(xiě)出電極反應(yīng)式，關(guān)鍵是掌握電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)技巧。燃料電池中發(fā)生的反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律、電荷守恒、原子個(gè)數(shù)守恒，可以正確書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。

【關(guān)鍵詞】燃料電池 ? ? 電極反應(yīng)式 ? ? 書(shū)寫(xiě) ? ? 技巧

燃料電池正極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)相對(duì)容易，而燃料電池負(fù)極反應(yīng)物為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)，不同的可燃物有不同的書(shū)寫(xiě)方式，要想先寫(xiě)出負(fù)極反應(yīng)式比較困難。一般燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式都是采用間接方法書(shū)寫(xiě)，第一步，先寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)方程式;第二步，寫(xiě)出燃料電池的正極反應(yīng)式;第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負(fù)極反應(yīng)式。以上方法適用于初學(xué)電極反應(yīng)的學(xué)生，比較費(fèi)時(shí)間;在考試中如果能快速直接書(shū)寫(xiě)出燃料電池電極反應(yīng)，將會(huì)給考生節(jié)省更多的時(shí)間。我結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一些技巧。

+1價(jià)H有兩種表現(xiàn)形式H+和H2O，在酸性環(huán)境中+1價(jià)H以H+的形式表現(xiàn)，在中性或堿性環(huán)境中+ 1價(jià)H以H2O的形式表現(xiàn);-2價(jià)O有四種表現(xiàn)形式O2-、CO32-、H2O和OH-，電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯-氧化釔），高溫下可允許O2-離子在其間通過(guò);在熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混合物）環(huán)境中O2-+CO2 =CO32-;溶液中酸性環(huán)境：2O2-+4H+ =2H2O ，溶液中中性或堿性環(huán)境：2O2-+2H2O =4OH-。

綜上所述，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)形式有所不同。因此在書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。

技巧寫(xiě)法：以電解質(zhì)為酸溶液，燃料電池的正極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)為例，基于上面的分析，在溶液中，O2-離子不能單獨(dú)存在，-2價(jià)的O有兩種存在形式：H2O和OH-;酸性溶液，-2價(jià)的O的存在形式為H2O，不可能為OH-。

1.寫(xiě)出主要的反應(yīng)物和生成物， O2→ ?H2O; ?2.標(biāo)出變價(jià)元素的化合價(jià)，算出得失電子的數(shù)目，O2 +4e- ?→H2O ;3.元素守恒，后面有H元素，前面必然有H元素，酸性溶液，+ 1價(jià)H以H+形式出現(xiàn)，O2 +4e- +H+ →H2O;4.平衡電荷，生成物不帶電荷，反應(yīng)物正負(fù)電荷代數(shù)和為0，O2 +4e- +4H+ → ?H2O;5.完整配平，原子個(gè)數(shù)守恒，O2 +4e- +4H+ →2H2O。根據(jù)以上五步，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)，快而準(zhǔn)。

燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。

技巧寫(xiě)法：以甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液為例。電解質(zhì)溶液為KOH，CH4 反應(yīng)生成的CO2會(huì)和KOH反應(yīng)生成CO32-。

1.寫(xiě)出主要的反應(yīng)物和生成物， CH4 →CO32-; ? 2.標(biāo)出變價(jià)元素的化合價(jià)，算出得失電子的數(shù)目，CH4-8e- →CO32-;3.元素守恒，前面有H元素，后面必然有H元素，堿性溶液，+ 1價(jià)H以H2O形式出現(xiàn)，CH4-8e- →CO32- + H2O;后面有O元素，前面必然有O元素，堿性溶液，-2價(jià)的O以O(shè)H-形式存在，CH4-8e- +OH- ?→CO32- + H2O;4.平衡電荷，生成物帶兩個(gè)單位負(fù)電荷，反應(yīng)物也應(yīng)該帶兩個(gè)單位負(fù)電荷，減去8個(gè)單位的負(fù)電荷，相當(dāng)于帶8個(gè)單位的正電荷，CH4-8e- +10OH- ?→CO32- + H2O;5.完整配平，原子個(gè)數(shù)守恒，CH4-8e- +10OH- ?→CO32- +7H2O。根據(jù)以上五步，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)，快而準(zhǔn)。

由以上技巧寫(xiě)出的兩個(gè)電極的反應(yīng)式，在得失電子相同的情況下加起來(lái)，即可得到總的電池反應(yīng)。

技巧法書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式應(yīng)用舉例。

1.甲醇、氧氣和強(qiáng)堿溶液作電解質(zhì)溶液的手機(jī)電池（可充電電池），試回答下列問(wèn)題：

⑴放電時(shí)，CH3OH參與反應(yīng)的電極為_(kāi)_____極。

⑵放電時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)：_______________。

⑶標(biāo)況下，通入11.2LO2完全反應(yīng)，轉(zhuǎn)移電子_____mol。

⑷充電時(shí)，電解質(zhì)溶液的pH逐漸________。

解析：⑴燃料電池正極通氧氣，負(fù)極通可燃性物質(zhì)，CH3OH參與反應(yīng)的電極為負(fù)極。⑵放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)技巧書(shū)寫(xiě)：電解質(zhì)溶液為強(qiáng)堿，CH3OH 反應(yīng)生成的CO2會(huì)和強(qiáng)堿反應(yīng)生成CO32-，①寫(xiě)出主要的反應(yīng)物和生成物，CH3OH →CO32-;②標(biāo)出變價(jià)元素的化合價(jià)，算出得失電子的數(shù)目，CH3OH-6e- →CO32- ; ?③元素守恒，前面有H元素，后面必然有H元素，堿性溶液，+1價(jià)H以H2O形式出現(xiàn)，CH3OH-6e- →CO32- + H2O，后面O元素多，前面O元素少，堿性溶液，-2價(jià)的O以O(shè)H-形式存在，CH3OH-6e- +OH- ?→CO32- + H2O;④平衡電荷，生成物帶兩個(gè)單位負(fù)電荷，反應(yīng)物也應(yīng)該帶兩個(gè)單位負(fù)電荷，減去6個(gè)單位的負(fù)電荷，相當(dāng)于帶6個(gè)單位的正電荷;CH3OH-6e- +8OH- ?→CO32- + H2O;⑤完整配平，原子個(gè)數(shù)守恒，CH3OH-6e- +8OH- ?→CO32- +6H2O。⑶氧氣參與正極反應(yīng)，根據(jù)書(shū)寫(xiě)技巧寫(xiě)出電極反應(yīng)式：①寫(xiě)出主要的反應(yīng)物和生成物， O2 ?→ ?OH-;②標(biāo)出變價(jià)元素的化合價(jià)，算出得失電子的數(shù)目，O2 +4e- ?→OH-;③元素守恒，后面有H元素，前面必然有H元素，堿性溶液，+ 1價(jià)H以H2O形式出現(xiàn)，O2 +4e- + H2O →OH-;④平衡電荷，反應(yīng)物帶四個(gè)單位負(fù)電荷，生成物也應(yīng)該帶四個(gè)單位負(fù)電荷，O2 +4e- + H2O →4OH-;⑤完整配平，原子個(gè)數(shù)守恒，O2 +4e- + 2H2O →4OH-。由氧氣和電子的關(guān)系計(jì)算得標(biāo)況下，通入11.2L（0.5mol）O2 完全反應(yīng)，轉(zhuǎn)移電子2mol。⑷在得失電子相同的情況下，正負(fù)極反應(yīng)加起來(lái)，即得到總的電池反應(yīng)，2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O。電池為可充電電池，正反應(yīng)為放電反應(yīng)，則逆反應(yīng)為充電反應(yīng)，充電時(shí)，電解質(zhì)溶液的pH逐漸增大。

答案：⑴負(fù) ? ⑵CH3OH-6e- +8OH- ?→CO32- +6H2O

⑶2mol ? ?⑷ 增大

2.一種直接氨燃料電池，以KOH溶液為電解質(zhì)溶液，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ? ）

A.通氨氣的一極為電池的正極

B.電池總反應(yīng)為4NH3+3O2=2N2+6H2O

C.電池工作時(shí)，OH-向正極移動(dòng)

D.氨直接燃燒過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化方式與該電池不同

解析：A.燃料電池正極通氧氣，負(fù)極通可燃性物質(zhì)，通氨氣的一極應(yīng)該為電池的負(fù)極。B.根據(jù)技巧法書(shū)寫(xiě)出電池正負(fù)極反應(yīng)，負(fù)極電極反應(yīng)式：①NH3 →N2， ② 2NH3-6e- →N2，③2NH3-6e- →N2+ H2O，④2NH3-6e-+OH- →N2+ H2O，⑤2NH3-6e-+6OH- →N2+ H2O，⑥2NH3-6e-+6OH- →N2+ 6H2O，正極反應(yīng)式：O2 +4e- +2H2O →4OH-，在得失電子相同的情況下，正負(fù)極反應(yīng)加起來(lái)，即得到總的電池反應(yīng)，4NH3+3O2=2N2+6H2O。C.電池工作時(shí)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)。D.燃燒電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，所以能量轉(zhuǎn)化方式與燃燒的能量轉(zhuǎn)化方式不同。

答案：B。