學(xué)習(xí)園地多種燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

燃料電池是原電池知識(shí)的具體應(yīng)用，是應(yīng)用前景非常廣闊的綠色化學(xué)能源，在近幾年的高考試卷中相關(guān)內(nèi)容的考查也頗受青睞，尤其是不同環(huán)境中電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)讓很多學(xué)生傷透腦筋。為了幫助學(xué)生準(zhǔn)確把握常見(jiàn)燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法，筆者結(jié)合個(gè)人的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)談?wù)勥@方面的問(wèn)題。

一、常見(jiàn)燃料電池的種類

燃料電池種類繁多，除了氫氧燃料電池，還有熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、金屬空氣電池等。隨著研究的深入還會(huì)有新的燃料電池出現(xiàn)。

二、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

1.總反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

一般可根據(jù)燃料的燃燒反應(yīng)寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)式，如氫氧燃料電池的總反應(yīng)式為2H2+O22H2O。但要注意電解質(zhì)環(huán)境，如在堿性環(huán)境中，甲烷燃料電池的總反應(yīng)式為CH4+2O2+2OH-CO2-3+3H2O。

2.正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

燃料電池的工作原理遵循氧化還原反應(yīng)的有關(guān)規(guī)律，即負(fù)極失電子，化合價(jià)升高，正極得電子，化合價(jià)降低。因此一般正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)基礎(chǔ)都是O2+4e-2O2-，而O2-的何去何從與電解質(zhì)環(huán)境有關(guān)，現(xiàn)將常見(jiàn)四種電解質(zhì)環(huán)境中正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)歸納如下。

（1）酸性溶液（如稀硫酸）

在正極O2+4e-2O2-，酸性溶液中2O2-+4H+2H2O，因此正極反應(yīng)式為O2+4e-+4H+2H2O。

（2）堿性溶液（如氫氧化鉀溶液）

在正極O2+4e-2O2-，堿性溶液中2O2-+2H2O4OH-，因此正極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O4OH-。

這里注意（1）、（2）兩種情況均為含水環(huán)境。

（3）熔融的碳酸鹽為電解質(zhì)（如熔融K2CO3）

說(shuō)明：熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣體為助燃?xì)?，制得?50℃下工作的燃料電池。

在正極O2+4e-2O2-，熔融的碳酸鹽中2O2-+2CO22CO2-3，因此正極反應(yīng)式為O2+4e-+2CO22CO2-3。

（4）固體氧化物為電解質(zhì)（如固體氧化鋯-氧化釔，可傳導(dǎo)O2-）

說(shuō)明：固體氧化物燃料電池是美國(guó)西屋（Westinghouse）公司研制開(kāi)發(fā)的。它以固體氧化鋯-氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子（O2-）在其間通過(guò)，該電池的工作原理如圖1所示，其中多孔電極a、b均不參加電極反應(yīng)。

正極反應(yīng)式應(yīng)為O2+4e-2O2-。

這里注意（3）、（4）兩種情況均為非含水環(huán)境。

3.負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

負(fù)極反應(yīng)物較簡(jiǎn)單時(shí)負(fù)極反應(yīng)式可直接書(shū)寫(xiě)，較復(fù)雜時(shí)一般采用電極反應(yīng)加減法。如甲醇燃料電池，電解質(zhì)為氫氧化鉀溶液。總反應(yīng)式：2CH3OH+3O2+4OH-2CO2-3+6H2O， 正極反應(yīng)式：O2+4e-+2H2O4OH-。

用總反應(yīng)式-正極反應(yīng)式×3=負(fù)極反應(yīng)式，可得負(fù)極反應(yīng)式為2CH3OH-12e-+

16OH-2CO2-3+12H2O

三、難點(diǎn)突破

1.抓住核心

氧氣在正極得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，燃料在負(fù)極失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。

2.重點(diǎn)訓(xùn)練電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)

（1）確定燃料電池電解質(zhì)類型。

（2）寫(xiě)出電池總反應(yīng)式?？偡磻?yīng)式可能是燃料燃燒的方程式，也可能是燃料燃燒的方程式和燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液中某種微粒反應(yīng)方程式疊加后的式子，但無(wú)論哪種情況，都不寫(xiě)點(diǎn)燃條件。

（3）確定氧氣在給定環(huán)境下正極的反應(yīng)式。

（4）利用電極反應(yīng)加減法，寫(xiě)出負(fù)極的反應(yīng)式。

（收稿日期：2014-11-10）