挖掘化學反應原理　提升學生解題技巧

[摘 要]

燃料電池根據采用的電解質不同可分為五種類型，是高考試題考查的熱點。在實際教學中，教師需要引導學生深入思考化學反應原理的實質，歸納總結五種類型燃料電池的總反應式、正極反應式、負極反應式的書寫模式，提升燃料電池試題的解題技巧。

[關鍵詞]

高中化學;燃料電池;反應式

高三化學二輪復習，是高考總復習中一個關鍵性的環(huán)節(jié)。在復習相關化學知識時，教師需要引導學生深入思考化學反應原理的實質，總結出相關規(guī)律和解題技巧，以達到高效復習的目的。燃料電池是現代社會中具有廣闊發(fā)展前景的新能源，因其能量轉換效率高、潔凈無污染而頗受人們關注，成為高考試題考查的熱點。在實際教學中，對于燃料電池的工作原理特別是電極反應式的書寫，學生往往感到比較困惑。如果能正確理解并寫出電極反應式（尤其是燃料為有機物的負極反應式），那么其他問題依據原電池原理便可順利解決。下面筆者結合教學實踐和對高考試題的研究，總結了不同類型燃料電池的電極反應式書寫方法，并建立書寫模式，以提升解題技巧。

一、燃料電池基本原理

燃料電池是一種不經燃燒便可將燃料的化學能經過電化學反應直接轉變?yōu)殡娔艿难b置。和其他電池中的氧化還原反應一樣，電化學反應也是自發(fā)的化學反應，不會發(fā)出火焰，化學能可以直接轉化為電能。

燃料電池的基本結構與一般化學電源相同，由正極（氧化劑電極）、負極（燃料電極）和電解質構成，但是電極本身僅起催化和集流作用。燃料電池工作時，活性物質由外部供給，因此，原則上說，只要燃料和氧化劑不斷地輸入，反應產物不斷地排出，燃料電池就可以連續(xù)放電，供應電能。

燃料電池正極上的氧化劑僅限于氧氣或空氣。負極上的燃料主要為化石燃料以及由此得到的衍生物，如H2、CO、NH3、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H6、C3H4、CH3OH、C2H5OH等都可用作燃料。無論是什么類型的燃料電池，負極一定是燃料失電子發(fā)生氧化反應，正極一定是氧氣（或空氣）得電子發(fā)生還原反應。

燃料電池根據采用的電解質不同可分為五種類型：①酸性燃料電池（電解質溶液通常為濃H3PO4，導電離子為H+）;②質子交換膜燃料電池（電解質是由質子導電聚合物構成的質子交換膜，導電離子為H+）;③堿性燃料電池（電解質溶液常為濃KOH溶液，導電離子為OH-）;④熔融碳酸鹽燃料電池（電解質一般為Li2CO3、K2CO3或Na2CO3的二元混合物，導電離子為CO32-）;⑤固體氧化物燃料電池（電解質常為ZrO2、Y2O3，導電離子為O2-）。

二、燃料電池電極反應式書寫方法

（一）總反應式書寫方法

燃料電池雖然是一種不經過燃燒而轉化電能的裝置，但其在放電時發(fā)生的總反應和燃料燃燒時的總反應一樣（若生成物與電解液能繼續(xù)反應的要考慮繼續(xù)反應，總反應式是離子反應的最好寫離子方程式）。

五種類型燃料電池的總反應式歸納如表1（以C2H5OH燃料電池為例）：

電池總反應式（不寫點燃條件）除了堿性燃料電池要考慮生成物CO2繼續(xù)與OH-反應生成CO32-外，其他的都是燃料與O2反應生成CO2和H2O。

（二）正極反應式書寫方法

燃料電池正極是O2得電子發(fā)生還原反應，O2得電子生成O2-，O2-不是氧元素的穩(wěn)定產物，O2-存在形式與燃料電池的電解質的狀態(tài)和電解質溶液的酸堿性有著密切的關系。

1.酸性燃料電池中，導電離子是H+，在酸性環(huán)境中，不穩(wěn)定的O2-與H+結合生成H2O（可理解為O2-帶負電，在電性力作用下，O2-結合H+生成H2O），即O2+4e-=2O2-，2O2-+4H+=2H2O，正極反應式為O2+4H++4e-=2H2O。

2.質子交換膜燃料電池中，電解質是由質子（H+）導電聚合物構成的質子交換膜，導電離子為H+，不穩(wěn)定的O2-要結合H+生成H2O，即正極反應式為O2+4H++4e-=2H2O。

3.堿性燃料電池中，導電離子是OH-，在堿性環(huán)境中，不穩(wěn)定的O2-會繼續(xù)與H2O反應生成OH-（可理解為O2-帶負電，在電性力作用下與OH-相排斥，只能結合H2O生成OH-），即O2+4e-=2O2-，2O2-+2H2O=4OH-，正極反應式為O2+2H2O+4e-=4OH-。

4.熔融碳酸鹽燃料電池中，導電離子是CO32-，電解質中存在CO2，不穩(wěn)定的O2-會結合CO2生成CO32-（可理解為O2-帶負電，在電性力作用下與CO32-相排斥，只能結合CO2生成CO32-），即O2+4e-=2O2-，2O2-+2CO2=2CO32-，正極反應式為O2+2CO2+4e-=2CO32-。

5.固體氧化物燃料電池中，導電離子是O2-，該固態(tài)電解質是熔融氧化物，在高溫下可允許O2-在其間通過，O2-在該環(huán)境下可穩(wěn)定存在，正極反應式為O2+4e-=2O2-。

五種類型燃料電池正極反應式書寫方法歸納如表2。

上述固體氧化物和熔融碳酸鹽燃料電池，由于是非水體系，應該用“查氧補氧”或“查氧補二氧化碳”的方法，而不是“查氧補水”。

（三）負極反應式書寫方法

燃料電池總反應式的書寫比較容易，正極反應式的書寫形式變化不大，有規(guī)律可循，但負極反應式的書寫難度較大。為了更好地突破負極反應式的書寫難點，下面依次介紹三種書寫負極反應式的方法。

1.相減法

先寫出總反應式，再寫出正極反應式，然后結合電子守恒和元素守恒，用總反應式減去正極反應式，得到負極反應式。

以C2H5OH燃料電池為例，五種類型燃料電池的總反應式、正極反應式、負極反應式書寫歸納如表3。

用“總反應式-正極反應式×3”可得負極反應式，另外質子交換膜燃料電池與酸性燃料電池的反應式相同。

這種寫法必須建立在兩個知識儲備的基礎之上：一是必須知道燃料電池的總反應式，而題目中一般不會直接給出;二是需要明確正極反應式的書寫會因電池電解質的不同而不同。故上述書寫方法過程比較繁雜且耗時較長，容易出現錯寫、漏寫等問題，對學生來說仍有很大難度。

2.零價法

燃料電池的負極是燃料失電子發(fā)生氧化反應，燃料以有機物居多，其反應后的產物通常為CO2和H2O（非堿性介質）或CO32-和H2O（堿性介質）。但無論上述哪種情況，產物中C、H、O的化合價均為+4、+1、-2，如果把原有機物CxHyOz中所有元素都看成0價，其中C和H的化合價升高，失去的電子總數為4x+y，而O的化合價降低，得到電子數為2z，可知整個反應中失去的電子總數為4x+y-2z，即“碳四氫一氧減二”。若燃料有機物中不含氧元素，則負極反應中失去的電子數為4x+y。

例如，CH3OH燃料電池中，負極反應產物無論是CO2還是CO32-，1 mol CH3OH反應失去的電子數為（4×1+1×4-2×1）mol=6 mol，負極反應式的書寫歸納如表4。

3.化合價法

運用相對化合價法書寫燃料電池負極反應式的關鍵是依據電負性的相對大小確定燃料物質中各元素的相對化合價。一般來說，如果燃料分子中只含C、H、O三種元素，則以O元素為-2價，H元素為+1價來確定C元素的相對化合價，計算出單位燃料被氧化后失去的電子總數，確定化學計量系數之比，再考慮電解質環(huán)境，結合守恒原理直接書寫負極反應式。

例如，在C6H12O6燃料電池中，C6H12O6中C的化合價為0價，1 mol C6H12O6發(fā)生反應后的產物無論是CO2還是CO32-都失去24 mol電子，負極反應式的書寫歸納如表5。

通過上面的分析可以看出，“零價法”“化合價法”與“相減法”相比，省去了比較繁瑣的書寫總反應式和正極反應式的過程，具有簡單、快速、準確等特點，學生更易接受，也更易掌握。

為了方便理解，筆者把試題中常涉及到的其他幾種燃料的燃料電池負極反應式歸類如表6，供學習者參考使用。教師可讓學生在閱讀理解后，根據表中信息在白紙上自行默寫這幾種燃料在不同電解質環(huán)境下的負極反應式，以便進一步熟練掌握“化合價法”“零價法”書寫負極反應式的具體步驟。

三、燃料電池高考考查例析

（一）酸性燃料電池

【例1】（2012年四川卷）一種基于酸性燃料電池原理設計的酒精檢測儀，負極上的反應為CH3CH2OH-4e-+H2O=CH3COOH+4H+。下列有關說法正確的是（? ）

A.檢測時，電解質溶液中的H+向負極移動

B.若有0.4 mol電子轉移，則在標準狀況下消耗4.48 L氧氣

C.電池反應的化學方程式為：CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O

D.正極上發(fā)生的反應是：O2+4e-+2H2O=4OH-

【解析】本題考查了電池反應原理、電極反應式的書寫、離子移動方向的判斷及電路中電子轉移情況分析。根據負極反應CH3CH2OH-4e-+H2O=CH3COOH+4H+，且為酸性酒精燃料電池，所以得到電子的物質是O2，正極反應為O2+4e-+4H+=2H2O，電池總反應式為CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O。根據正負極反應可知，負極生成H+，正極消耗H+，所以電解質溶液中的H+向正極移動。用電池總反應式進行判斷，有0.4 mol的電子轉移，消耗氧氣為0.1 mol。答案為C項。

（二）質子交換膜燃料電池

【例2】（2015年全國新課標卷Ⅰ）微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉化為電能的裝置，其工作原理如圖1所示。下列有關微生物電池的說法錯誤的是（? ）

A.正極反應中有CO2生成

B.微生物促進了反應中電子的轉移

C.質子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)

D.電池總反應為：C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O

【解析】本題通過給出以葡萄糖為燃料的質子交換膜微生物燃料電池結構示意圖，考查了電池反應原理、電極反應的書寫及離子移動方向的判斷。電池的總反應為C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O，正極反應為O2+4e-+4H+=2H2O，負極反應為C6H12O6-24e-+6H2O=6CO2+24H+。放電過程中，H+從負極區(qū)向正極區(qū)遷移，結合O2-生成H2O。在微生物的作用下，原電池能加快氧化還原反應速率，可以說微生物促進了電子的轉移。答案為A項。

（三）堿性燃料電池

【例3】（2008年北京卷）據報道，我國擁有完全自主產權的氫氧燃料電池車在奧運會期間為運動員提供服務。某種氫氧燃料電池的電解液為KOH溶液。下列有關電池的敘述不正確的是（? ）

A.正極反應式為：O2+2H2O+4e-=4OH-

B.工作一段時間后，電解液中的KOH的物質的量不變

C.該燃料電池的總反應方程式為：2H2+O2=2H2O

D.用該電池電解CuCl2溶液，產生2.24 L Cl2（標準狀況）時，有0.1 mol電子轉移

【解析】本題考查了電極反應式的書寫、電解液的變化情況及電路中電子轉移情況。據題意，氫氧燃料電池的總反應式為2H2+O2=2H2O，其電解液為KOH溶液，故正極反應式為O2+4e-+2H2O=4OH-，負極反應式為H2-4e-+4OH-=4H2O。反應過程中，生成和消耗的OH-相等，KOH的物質的量不變，KOH的物質的量濃度變小。D項根據電解CuCl2時的放電順序可知，產生Cl2的電極反應式為2Cl--2e-=Cl2，故產生2.24 L Cl2時，有0.2 mol電子轉移。答案為D項。

（四）熔融碳酸鹽燃料電池

【例4】（2015年江蘇卷）一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖2。下列有關該電池的說法正確的是（? ）

A.反應CH4+H2O[]3H2+CO，每消耗1 mol CH4轉移12 mol電子

B.電極A上H2參與的電極反應為：H2+2OH--2e-=2H2O

C.電池工作時，CO32-向電極B移動

D.電極B上發(fā)生的電極反應為：O2+2CO2+4e-=2CO32-

【解析】本題考查了原電池的工作原理、電極反應式的書寫、離子移動方向的判斷及電路中電子轉移情況分析。熔融碳酸鹽燃料電池的總反應式為CO+H2+O2=CO2+H2O，電極B的正極反應式為O2+2CO2+4e-=2CO32-，電極A的負極反應式為CO+H2-4e-+2CO32-=3CO2+H2O（CO-2e-+CO32-=2CO2和H2-2e-+CO32-=CO2+H2O）。A項1 mol CH4生成CO，化合價由-4價到+2價上升6價，1 mol CH4參加反應共轉移6 mol電子。C項根據原電池工作原理，陰離子CO32-向負極（電極A）移動。答案為D項。

（五）固態(tài)氧化物燃料電池

【例5】（2005年廣東卷）一種新燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體;電解質是摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導O2-。下列對該燃料說法正確的是（? ）

A.在熔融電解質中，O2-由負極移向正極

B.電池的總反應是：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應為：O2+4e-=2O2-

D.通入丁烷的一極是正極，電極反應為：C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O

【解析】本題以熔融狀態(tài)摻雜氧化釔的氧化鋯為電解質，考查了電極反應、總反應的書寫及離子移動方向的判斷。丁烷燃料電池的總反應式為2C4H10+13O2=8CO2+10H2O，正極反應式為O2+4e-=2O2-，負極反應式為C4H10-26e-+13O2-=4CO2+5H2O。在熔融電解質中，負離子O2-由正極移向負極，正離子由負極移向正極，完成電子運動的循環(huán)。答案為B、C項。

總之，無論是什么類型的燃料電池，只要抓住不變的核心原理，考慮所給電解質類型，正確分析出電極反應式，問題便可解決。高考復習是一個系統(tǒng)工程，絕不是簡單地拼時間、拼精力，漫無目標地做題、解題的過程，而是科學、有計劃的復習過程。教師在強調刻苦學習的同時，要讓學生在深入思考化學反應原理的基礎上，把握好化學反應原理的實質，總結出規(guī)律和解題技巧，使復習達到事半功倍的效果。

[參 考 文 獻]

[1]高麗.燃料電池負極反應書寫方法探析[J].中學化學教學參考，2018（16）：65.

[2]楊金才.淺析一種書寫燃料電池負極反應式的新方法[J].化學教學，2016（4）：87-89.

[3]劉茜茜，楊金才，萬嬌嬌.例析高考化學燃料電池電極反應式的書寫[J].化學教學，2016（12）：77-79.

[4]劉三先.淺析一種書寫燃料電池電極反應式的新方法[J].中學教學參考，2014（11）：80-81.

（責任編輯：趙曉梅）

作者簡介：劉鴻（1977-），男，云南富源人，高級教師，大學本科。