燃料電池電極反應(yīng)式的書寫技巧

虞玲

初學(xué)原電池，大多數(shù)同學(xué)感到電極反應(yīng)很難寫，原電池電極反應(yīng)與一般的氧化還原反應(yīng)的書寫是有差異的，有它自身的書寫方法和技巧，我們只要掌握規(guī)律，強(qiáng)化練習(xí)還是可以掌握要領(lǐng)的。下面筆者就結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一下燃料電池電極反應(yīng)式的書寫技巧。

電極反應(yīng)式書寫總則：

負(fù)極：失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)（一般是負(fù)極本身失電子）

正極：得電子，發(fā)生還原反應(yīng)（一般是溶液中陽離子在正極上得電子，但也可能是O2在正極上得電子（吸氧腐蝕），或正極本身得電子）

總反應(yīng)式（電池反應(yīng)）=正極反應(yīng)式+負(fù)極反應(yīng)式

如果知道電池總反應(yīng)式：氧化劑+還原劑+（某介質(zhì)）=還原產(chǎn)物+氧化產(chǎn)物+（另一介質(zhì)），根據(jù)總反應(yīng)找出氧化劑和氧化產(chǎn)物、還原劑和還原產(chǎn)物，電極反應(yīng)的總模式是：

負(fù)極：還原劑-ne—=氧化產(chǎn)物

正極：氧化劑+ne—=還原產(chǎn)物

其他參與反應(yīng)的介質(zhì)分子或離子，根據(jù)配平需要，添加在半反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物中。

然而很多時(shí)候我們并不知道電池總反應(yīng)式，那我們就需要根據(jù)不同的情況來進(jìn)行分析。

今天在這我就特意講一下燃料電池的書寫技巧。

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)較多，也是近年高考的熱點(diǎn)內(nèi)容。燃料電池是原電池中一種比較特殊的電池，它與原電池形成條件有一點(diǎn)相悖，就是兩極不一定是兩根活動(dòng)性不同的電極，也可以是兩根相同的電極。解決此類問題必須抓住一點(diǎn)：燃料電池反應(yīng)實(shí)際上等同于燃料的燃燒反應(yīng)，但要特別注意介質(zhì)對(duì)產(chǎn)物的影響。

（1）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(fù)極通入H2，正極通入O2，總反應(yīng)就是氫氣的燃燒反應(yīng)：2H2+O2=2H2O。寫電極反應(yīng)式時(shí)特別要注意電解質(zhì)，有以下三種情況：

a、堿性電解質(zhì)（電解質(zhì)是KOH溶液）

負(fù)極：H2-2e-+2OH—=2H2O（氧化反應(yīng)）

正極：O2+H2O+4e-=OH—（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)方程式2H2+O2=2H2O

b、酸性電解質(zhì)（電解質(zhì)是H2SO4溶液）

負(fù)極：H2-2e-=2H+（氧化反應(yīng)）

正極：O2+4H++4e-=2H2O（還原反應(yīng)）

總反應(yīng)方程式2H2+O2=2H2O

c、中性電解質(zhì)（電解質(zhì)是NaCl溶液）

負(fù)極：H2-2e-=2H+（氧化反應(yīng)）

正極：O2+H2O+4e-=4OH—

總反應(yīng)方程式2H2+O2=2H2O

[注意]電解質(zhì)溶液中也要考慮離子共存的問題：

H+不能存在于堿性溶液反應(yīng)物、生成物中；

2、OH-不能存在于酸性溶液反應(yīng)物、生成物中；

3、水溶液中不能出現(xiàn)O2-，O2-會(huì)在不同的環(huán)境當(dāng)中，結(jié)合不同的粒子，一是自己能夠穩(wěn)定，酸性環(huán)境中結(jié)合H+后成為水；堿性環(huán)境或者中性環(huán)境中，O2-會(huì)結(jié)合H2O形成OH—。

a、有機(jī)物燃料電池

有機(jī)物燃料電池的電解質(zhì)的環(huán)境分酸性和堿性。比如甲醇燃料電池，它的電極反應(yīng)如下：

b、酸性電解質(zhì)（鉑為兩極、電解液H2SO4溶液）

正極：3O2+12e-+12H+=6H2O（還原反應(yīng)）

負(fù)極：2CH3OH-12e-+2H2O=12H++2CO2（氧化反應(yīng)）

總反應(yīng)式2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O（氧化反應(yīng)）

c、堿性電解質(zhì)（鉑為兩極、電解液KOH溶液）

正極：3O2+12e-+6H2O=12OH-（還原反應(yīng)）

負(fù)極：2CH3OH-12e-+16OH—=2CO32-+12H2O（氧化反應(yīng)）

總反應(yīng)方程式2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

雖然環(huán)境有酸性和堿性，但是實(shí)際用下來，大多數(shù)燃料電池的環(huán)境為堿性。下面我就重點(diǎn)對(duì)堿性環(huán)境下的有機(jī)物燃料電池做一下總結(jié)。

對(duì)于以任意一種有機(jī)物為燃料的堿性燃料電池來說，其正極反應(yīng)式全部是以“O2+4e-+2H2O=4OH-”反應(yīng)式為基礎(chǔ)，然后根據(jù)耗氧量的不同，或者說電子轉(zhuǎn)移數(shù)目的不同，其正極反應(yīng)式是這個(gè)基礎(chǔ)式子的n倍。電極反應(yīng)式書寫的常規(guī)方法是：先寫出燃料燃燒的總反應(yīng)方程式，及產(chǎn)物CO2與堿反應(yīng)的方程式，然后用總反應(yīng)式（電池反應(yīng)）=正極反應(yīng)式+負(fù)極反應(yīng)式，算出負(fù)極反應(yīng)式。但是，這種方法算起來很麻煩，我通常給學(xué)生采用的方法是：建立模板直接書寫法。模板具體如下：

有機(jī)物—（ ）e-+（ ）OH- = （ ）CO32- + （ ）H2O

說明：（1）此模板中有機(jī)物可以為任意含C、H、O的有

機(jī)物；

（2）電子前面的系數(shù)來源于有機(jī)物電子轉(zhuǎn)移總數(shù)；

（3） CO32-的系數(shù)就是有機(jī)物中碳原子的總數(shù)；

（4） OH-的系數(shù)等于碳原子總數(shù)的2倍與轉(zhuǎn)移電子總數(shù)

之和；

（5） H2O的系數(shù)遵守質(zhì)量守恒定律。

例如：丙烷燃料電池（鉑為兩極、電解液KOH溶液）

先寫模板：C3H8—（ ）e- + （ ）OH- = （ ）CO32- + （ ）H2O

[分析]C3H8中碳元素的價(jià)態(tài)為8/3，與CO32-中碳元素的價(jià)態(tài)的差值為20/3，則反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為20；CO32的系數(shù)為3；于是算出OH- 的系數(shù)為20+3*2=26；有質(zhì)量守恒算出H2O的系數(shù)為17。從而得到丙烷燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為：C3H8—20e-+ 26 OH—=CO32- + 17H2O；由O2+4e-+ 2H2O= 4OH- 對(duì)比電子轉(zhuǎn)移總數(shù)，得到正極反應(yīng)式為5O2+20e-+10H2O=20OH—；從而可以得到總反應(yīng)式C3H8+5O2+6KOH=3K2CO3+7H2O。

剛開始應(yīng)用此方法時(shí)會(huì)覺得生疏，但是掌握了以后可以很快的應(yīng)對(duì)各種有機(jī)燃料電池（堿性），也不用繞道來寫負(fù)極反應(yīng)式了。酸性燃料電池也可以建立類似的模板，因?yàn)閼?yīng)用較少，筆者就不在此贅述，有興趣的同學(xué)可以自己研究一下。endprint