沙德芳
[摘要]
燃料電池電極反應式的書寫
是學生平時練習和考試中易出錯的知識點,用“加離補分法”書寫燃料電池的電極反應式,可有效提高書寫的速度和準確性,值得推廣。
[關鍵詞]電極反應式;加離補分法;加離子;補分子
[中圖分類號]G633.8[文獻標識碼]A[文章編號]16746058(2018)05006002
電化學中電極反應式的書寫不僅是電化學教學的重點和難點,更是高考的熱點題型之一,其中,燃料電池電極反應式的書寫又是電極反應式書寫中的難點。筆者根據(jù)自己的教學實踐,歸納總結出了燃料電池電極反應式書寫的新方法——“加離補分法”。下面就此方法進行較為詳盡的介紹,旨在拋磚引玉。
“加離補分法”書寫燃料電池電極反應式的步驟:
1.寫出燃料燃燒反應的化學方程式。
2.根據(jù)電解液改寫燃料電池的總反應式(是離子反應的寫離子方程式)。
3.用雙線橋分析總反應方程式,確定氧化反應、還原反應以及反應中轉移的電子數(shù)目。
4.添加電解液中參與正、負電極反應但在總反應中又約去不體現(xiàn)的隱藏離子。添加離子時,選用離子的原則是:選用電解質中能參與電極反應的離子(如:酸性電解質溶液中的H+;堿性電解質溶液中的OH-等)。注意添加離子的物質的量與其所帶電荷數(shù)的乘積的絕對值等于總反應中轉移的電子總數(shù),且方程式左右同等添
加該離子。
5.將添加離子后的總反應拆寫為正、負極反應式,再根據(jù)原子守恒的需要給兩極反應同等補充合適的分子。(注:上步添加的離子若是陽離子,則該離子參加正極反應并在負極反應中生成,拆寫時,一般先拆寫出負極反應式并根據(jù)負極反應式中原子守恒的需要補合適的分子較為容易;添加的離子若是陰離子,則該離子參加負極反應并在正極反應中生成,拆寫時,一般先拆寫出正極反應式并根據(jù)正極反應式中原子守恒的需要補合適的分子較為容易。)下面以甲烷-空氣燃料電池為例,詳細介紹此方法。
【例1】甲烷-空氣燃料電池。
(1)若電解質為稀硫酸
CH4燃燒方程式即是該電池總反應式:CH4+2O2=CO2+2H2O,由雙線橋分析可知反應中轉移電子8e-。
說明:
①添加離子:雙線橋分析可知反應中轉移電子8e-,根據(jù)電荷守恒為H+添加系數(shù)8。
②拆寫:將氧化反應拆寫成負極反應式(8H+在負極生成),還原反應改寫成正極反應式。
③補分子:根據(jù)負極反應的原子守恒需要和體系環(huán)境選擇合適的分子(2H2O),且正極同等補加。
④整理、檢查:原子、電荷是否守恒;“=”“↑”“↓”的使用等。
(2)若電解質為KOH溶液
先寫出CH4燃燒反應方程式:CH4+2O2=CO2+2H2O,還需考慮產(chǎn)物CO2能與電解質KOH溶液反應:CO2+2KOH=K2CO3+H2O,合并得總反應式:CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O,改寫成離子方程式:CH4+2O2+2OH-=CO2-3+3H2O,由雙線橋分析可知反應中轉移電子8e-。
(3)若電解質為熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3),正極充入CO2與O2的混合氣體
CH4燃燒方程式即是該電池總反應式:CH4+2O2=CO2+2H2O,由雙線橋分析可知反應中轉移電子8e-。
(4)若電解質為固體ZrO2(可傳導O2-)
CH4燃燒方程式即是該電池總反應式:CH4+2O2=CO2+2H2O,由雙線橋分析可知反應中轉移電子8e-。
說明:①書寫電池總反應式時要考慮燃料燃燒產(chǎn)物與環(huán)境介質有無反應。如:產(chǎn)物中+4價碳元素在酸性環(huán)境下以CO2形式存在,在堿性環(huán)境下以CO2-3形式存在。②燃料電池中可燃物質在負極放電,助燃氣體(O2)在正極放電。③燃料電池總反應轉移電子數(shù)目可以根據(jù)反應中O2的得電子數(shù)目來確定;若負極放電的燃料是有機物,則有機物中碳元素化合價升高總數(shù)即為失去的電子總數(shù)(有機物中碳元素化合價確定方法:將有機化合物寫成分子形式,先標定氫的化合價為+1價、氧的化合價為-2價,最后根據(jù)化合物中元素化合價代數(shù)和為零的原則標出碳元素化合價。如:乙醇C2H6O中碳為-2價,葡萄糖C6H12O6中碳為0價)。
學會“加離補分法”書寫燃料電池電極反應式后,我們還可以把此方法應用在某些二次電源的電極反應式的書寫中。
【例2】鎳鎘(Ni-Cd)可充電電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應用。已知某鎳鎘電池的電解質溶液為KOH溶液,其充、放電按下式進行:
Cd+2NiOOH+2H2O放電充電Cd(OH)2+2Ni(OH)2,寫出該電池放電時電極反應式。
由雙線橋分析可知反應中轉移電子2e-。
【
練習】據(jù)報道,摩托羅拉公司的一種以甲醇(CH3OH)為原料、以KOH為電解質的用于手機的可充電的高效燃料電池,充一次電可持續(xù)使用一個月。(1)寫出該電池的負極反應式;(2)若將KOH的堿性反應環(huán)境變?yōu)樗嵝原h(huán)境,則該電池的負極反應式為;(3)若以熔融的K2CO3為電解質,陽極充入CO2與O2的混合氣體,試寫出該燃料電池的電極反應式。
參考答案(1)CH3OH-6e-+8OH-=CO2-3+6H2O;(2)CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+;
(3)負極:2CH3OH-12e-+6CO2-3=8CO2+4H2O;正極:3O2+12e-+6CO2=6CO2-3
(責任編輯羅艷)