1、燃料電池電極反應式書寫的規律 山東省東營市利津縣第二中學 孫娟妮 殷建鵬原電池知識是中學化學中的重要基本概念，也是近年來高考的熱點，在學習原電池時，學生最感到困難的是電極反應式的書寫，特別燃料電池的電極反應式的書寫，為了幫助同學們準確把握這類電池的電極反應式的寫法，我結合自己的教學體會談談這方面的問題，供大家參考。 燃料電池是一種不經燃燒，將燃料的化學能經過電化學反應直接轉變為電能的裝置，它和其它電池中的氧化還原反應一樣，都是自發的化學反應，不會發出火焰，其化學能可以直接轉化為電能的一種電池。燃料即化石燃料以及由此得到的衍生物，如氫、肼、烴、煤氣等液體和氣體燃料；氧化劑僅限于氧和空氣

2、。燃料電池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，但其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放電，供應電能。氫氧燃料電池基本結構 所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應的書寫同樣是有規律可循的。書寫燃料電池電極反應式的步驟類似于普通原電池，在書寫時應注意以下幾點： 1.電池的負極一定是可燃性氣體，失電子，元素化合價升高，發生氧化還原反應；電池的正極一定是助燃性氣體，得電子，化合價降低，發生還原反應。 2.燃料電

3、池兩電極材料一般都不參加反應，反應的是通到電極上的燃料和氧氣，兩電極只是傳導電子的作用。 3.電極反應式作為一種特殊的離子反應方程式，也必需遵循原子守恒，得失電子守恒，電荷守恒。 4.寫電極反應時，一定要注意電解質是什么，其中的離子要和電極反應中出現的離子相對應，在堿性電解質中，電極反應式不能出現氫離子，在酸性電解質溶液中，電極反應式不能出現氫氧根離子。 5.正負兩極的電極反應式在得失電子守恒的條件下，相疊加后的電池反應必須是燃料燃燒反應和燃料產物于電解質溶液反應的疊加反應式。 例1: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，

4、正極通入 O2，電解質溶液通常選用KOH。在負極上氫氣失去電子變成 H+進入溶液，H+又與溶液中的OH-繼續反應生成H2O，因此在負極發生的反應為H2 + 2e- = 2H+ ,2H+ + 2OH- = 2H2O,所以： 負極的電極反應式為：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，只能結合H2O生成OH-即：2O2- + 2H2O = 4OH- ，因此，正極反應式為：O2 + H2O + 4e- = 4OH- 。 總反應為：2H2 + O2 = 2H2O 若在酸性條件下， 負極反應式為：H2

5、 +2e- = 2H+ 正極反應式為：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O(O2 + 4e- = 2O2- ，2O2- + 4H+ = 2H2O) 總反應為：2H2 + O2 = 2H2O。     例2:甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液）， 甲烷燃料電池的電解質溶液為KOH，生成的CO2還要與KOH反應生成K2CO3，所以總反應為：CH4 + 2KOH+ 2O2 = K2CO3 + 3H2O。 負極反應有：CH4 8e- + 8OH- = CO2 + 6H2O    CO2 + 2OH- = CO32- + H2O， 負極

6、反應式為：CH4 + 10OH- + 8e- = CO + 7H2O 正極發生的反應有：O2 + 4e- = 2O2- 和O2- + H2O = 2OH- 所以正極反應式為：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-    技巧1燃料電池的負極反應，一般較難寫出，而正極反應和電池總反應卻較易寫出。用電池總反應減去正極反應可得負極反應，這是寫負極反應式的一種巧妙方法。甲烷燃料電池總離子反應式為：CH4 + 2OH-+ 2O2 = CO + 3H2O 正極反應式為：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- 故負極反應式應為：-2 即得CH4 + 10OH- - 8e- =

7、 CO + 7H2O 技巧2根據得失電子守恒，原子守恒，電荷守恒直接書寫較復雜的負極電極反應式。負極中，甲烷被氧化為二氧化碳，二氧化碳在堿性條件不能存在，結合氫氧根生成碳酸根。甲烷中碳元素化合價由-4價升高到碳酸根中的+4價，故1 mol甲烷失去8 mol電子，結合OH-生成1 mol CO，再根據電荷守恒，電極反應式右側CO帶兩個單位負電荷，故左側應該有10 mol OH-,再根據原子守恒，電極反應式右側加上7 mol H2O。即得CH4 + 10OH- - 8e- = CO + 7H2O 例3:熔融鹽燃料電池具有高的發電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3

8、的熔融鹽混合物作電解質，CO為陽極燃氣，空氣與CO2的混合氣為陰極助燃氣，制得在650 下工作的燃料電池，完成有關的電池反應式：負極反應式：2CO2CO4CO24e正極反應式：                            。總電池反應式：       

9、;                   。 解析：根據題意可以判斷CO做為反應的還原劑，即在反應中失去電子，做原電池的負極；空氣與CO2做正極，所以在正極上是O2得到電子：O22H2O4e-4OH-，這是在不考慮二氧化碳的情況下寫的正極反應，所以當我們考慮到正極上的物質時，正極反應就變成了O24e-2CO22 CO，總反應在正負極的是電子數目相等情況下把兩個電極反應相加即可：O22CO2CO2。 

10、習題專練： 某原電池中盛有KOH濃溶液，若分別向_(填“正”或“負”，下同)極通入可燃性氣體，向_極通入O2，則電路中就有電流通過，試完成下列問題：  可燃性氣體正極反應負極反應電池總反應(1)H2S   (2)CO  (3)C2H4  (4)C3H8  (5)CH3OH  (6)C2H5OH    答案：負 正正極反應負極反應電池總反應O24e-2H2O=4OH-H2S6e-8OH-=SO5H2O 2H2S3O24

11、OH=2SO4H2O CO2e4OH=CO2H2O2COO24OH=2CO2H2OC2H412e16OH=2CO10H2OC2H43O24OH=2CO4H2OC3H820 e26OH= 3CO+ 17H2OC3H85O26OH=3CO7H2OCH3OH6 e8OH= CO+6H2O                 2CH3OH3O24OH=2CO6H2OC2H5OH12e16OH=2 CO+11H2O   

12、          C2H5OH3O24OH=2CO5H2O 總之，對于原電池的電極反應式的書寫來說，最重要的是明白原電池的工作原理，這一點對學生來說不難理解，但是對于有電解質溶液參與的電極反應來說就不知如何是好，正負極也能找到，就是寫不出電極反應式，負極失電子正極得電子都知道，卻忽略了得失電子變成離子后要進入溶液中，如果溶液中存在的離子與在正極負極得失電子變成的離子不能共存，則要繼續反應，反之，不反應共存于溶液中。如果能分析清楚這些，那么難題也就迎刃而解了。如何書寫燃料電池電極反應在中學階段，

13、掌握燃料電池的工作原理和電極反應式的書寫是十分重要的。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應式的書寫也同樣是有規律可循的。書寫燃料電池電極反應式一般分為三步：第一步，先寫出燃料電池的總反應方程式；第二步，再寫出燃料電池的正極反應式；第三步，在電子守恒的基礎上用燃料電池的總反應式減去正極反應式即得到負極反應式。下面對書寫燃料電池電極反應式“三步法”具體作一下解釋。 1、燃料電池總反應方程式的書寫 因為燃料電池發生電化學反應的最終產物與燃料燃燒的產物相同，可根據燃料燃燒反應寫出燃料電池的總反應方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應方程式不隨電解質的狀態和電解質溶液的酸堿

14、性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應方程式就與電解質的狀態和電解質溶液的酸堿性有關，如甲烷燃料電池在酸性電解質中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 2、燃料電池正極反應式的書寫 因為燃料電池正極反應物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應，所以可先寫出正極反應式，正極反應的本質都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應式的基礎都是O24e-=2O2-。正極產生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質的狀態和電解質溶液的酸堿性有著密切的

15、關系。這是非常重要的一步。現將與電解質有關的五種情況歸納如下。 電解質為酸性電解質溶液（如稀硫酸） 在酸性環境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優先結合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質溶液中，正極反應式為O24H+4e-=2H2O。 電解質為中性或堿性電解質溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液） 在中性或堿性環境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質溶液中，正極反應式為O22H2O +4e-=4OH-。 電解質為熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物） 在熔融的碳酸鹽環境中，O2

16、-離子也不能單獨存在， O2-離子可結合CO2生成CO32-離子，則其正極反應式為O22CO2 +4e-=2CO32-。 電解質為固體電解質（如固體氧化鋯氧化釔） 該固體電解質在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應式應為O24e-=2O2-。 綜上所述，燃料電池正極反應式本質都是O24e-=2O2-，在不同電解質環境中，其正極反應式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應式時，要特別注意所給電解質的狀態和電解質溶液的酸堿性。 3、燃料電池負極反應式的書寫 燃料電池負極反應物種類比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質。不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負極反

17、應式相當困難。一般燃料電池的負極反應式都是采用間接方法書寫，即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應式和正極反應式，然后在電子守恒的基礎上用總反應式減去正極反應式即得負極反應式。 燃料電池電極反應式的書寫應用舉例 1、電解質為酸性電解質溶液 例1、科學家預言，燃料電池將是21世紀獲得電力的重要途徑，美國已計劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時向一個電極通入空氣。 試回答下列問題： 這種電池放電時發生的化學反應方程式是 。 此電池的正極發生的電極反應是 ；負極發生的電極反應是 。 電解液中的H+離子向 極移動；向外電路釋

18、放電子的電極是 。 比起直接燃燒燃料產生電力，使用燃料電池有許多優點，其中主要有兩點：首先是燃料電池的能量轉化率高，其次是 。 解析：因燃料電池電化學反應的最終產物與燃料燃燒的產物相同，又且其電解質溶液為稀硫酸，所以該電池反應方程式是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。 按上述燃料電池正極反應式的書寫方法1知，在稀硫酸中，其正極反應式為：3O212H+12e-=6H2O，然后在電子守恒的基礎上利用總反應式減去正極反應式即得負極反應式為：2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+。由原電池原理知負極失電子后經導線轉移到正極，所以正極上富集電子，根據電性關系知陽離子向正極移動，陰離子

19、向負極移動。故H+離子向正極移動，向外電路釋放電子的電極是負極。 答案：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 正極3O212H+12e-=6H2O；負極2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+ 正；負 對空氣的污染較小 2、電解質為堿性電解質溶液 例2、甲烷燃料電池的電解質溶液為KOH溶液，下列關于甲烷燃料電池的說法不正確的是 （ ） A、負極反應式為CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O B、正極反應式為O22H2O +4e-=4OH- C、隨著不斷放電，電解質溶液堿性不變 D、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量利用率大 解析：因甲烷燃料電池的電解質為KOH溶液，

20、生成的CO2還要與KOH反應生成K2CO3，故該電池發生的反應方程式是CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。從總反應式可以看出，要消耗OH-，故電解質溶液的堿性減小，C錯。按上述燃料電池正極反應式的書寫方法2知，在KOH溶液中，其正極反應式為：O22H2O +4e-=4OH-。通入甲烷的一極為負極，其電極反應式可利用總反應式減去正極反應式為CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O。選項A、B均正確。根據能量轉化規律，燃燒時產生的熱能是不可能全部轉化為功的，能量利用率不高，而電能轉化為功的效率要大的多，D項正確。故符合題意的是C。 3、電解質為熔融碳酸鹽 例3、某燃料電池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）為電解質，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題： 寫出該燃料電池的化學反應方程式。 寫出該燃料電池的電極反應式。 為了使該燃料電池長時間穩定運行，電池的電解質組成應保持穩定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質，加入的物質是什么，它從哪里來？ 解析：由于電解質為熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不會與CO32-反應生成HCO3-的，故該燃料電池的總反應式為： 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料電池正極反應式的書寫方法3知，在熔融碳