淺析一種書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的新方法

楊金才

摘要：提出了一種配平燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的新方法——零價法。即將燃料電池的燃料物質(zhì)看成零價，根據(jù)負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，計(jì)算出單位燃料參與負(fù)極反應(yīng)時所失去的凈電子數(shù)，確定燃料物質(zhì)與電子數(shù)之比，再依據(jù)守恒原理快速、準(zhǔn)確地書寫燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式。

關(guān)鍵詞：零價法；燃料電池；負(fù)極反應(yīng)式；配平

文章編號：1005–6629（2016）4–0087–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

燃料電池（Fuel Cell）是21世紀(jì)最有希望的新一代綠色能源動力系統(tǒng)，有助于解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題。在中學(xué)教學(xué)中，燃料電池是原電池原理的具體應(yīng)用，要求學(xué)生掌握其工作原理及各種電解質(zhì)環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫。近年來，燃料電池原理已成為高考的熱點(diǎn)內(nèi)容，電池電極反應(yīng)式的書寫尤為重要，其中負(fù)極反應(yīng)式的書寫是最困難的。目前書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式采用的主要是“相減法”[1]。即在電子守恒的基礎(chǔ)上，用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式得到負(fù)極反應(yīng)式?！跋鄿p法”書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式比較繁雜且耗時較長，容易出現(xiàn)錯寫、漏寫等問題。針對目前書寫方法的缺點(diǎn)，本文借鑒配平特殊氧化還原反應(yīng)的一種方法，將“零價法”的思想引入燃料電池電極反應(yīng)式的書寫當(dāng)中，用來書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式?！傲銉r法”與“相減法”相比，省去比較繁瑣的書寫總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式的過程，具有簡單、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，使學(xué)生更易接受，也更易掌握。

1 零價法簡介

通過對特殊類型的氧化還原反應(yīng)方程式配平的研究[2，3]，從而確立一種配平特殊氧化還原反應(yīng)的方法——零價法。其主要內(nèi)容是“在化合價升降法的基礎(chǔ)上對特殊類型的還原劑作特殊處理，把反應(yīng)前還原劑中起還原作用的元素看成零價，然后在零價的基礎(chǔ)上，算出還原劑各元素化合價升高數(shù)值的代數(shù)和。再根據(jù)守恒原理配平該氧化還原反應(yīng)”。該法配平特殊類型的氧化還原反應(yīng)較為簡單、高效。可適用于化合價難以確定、有單質(zhì)參加、帶字母以及有機(jī)物參與的氧化還原反應(yīng)方程式的配平[4]。

2 零價法書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的理論基礎(chǔ)

碳元素位于元素周期表中第二周期第ⅣA族，原子最外層有4個電子，易形成共價鍵，其化合價在無機(jī)物中為+2或+4價。在碳的同素異形體中，碳原子之間以共價鍵結(jié)合，碳元素的化合價為零價。有機(jī)物分子中碳的化合價與其單質(zhì)相似[5]，故可以不考慮其化合價。燃料電池中，燃料在負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，即電池反應(yīng)中燃料作還原劑。如果將還原劑中各元素記為“零價”，而氧化產(chǎn)物中各元素的化合價均已確定，就可以計(jì)算出單位燃料被氧化所失去的凈電子數(shù)，從而書寫出負(fù)極反應(yīng)式。因此，零價法在理論上可以書寫燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式。

3 零價法書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的具體步驟

燃料電池中，由于知道燃料在負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，假定1mol燃料參與反應(yīng)，先確定失去的凈電子總數(shù)，再由電池所處的化學(xué)環(huán)境及電荷守恒、質(zhì)量守恒，直接寫出電池負(fù)極反應(yīng)式。其書寫規(guī)律因?yàn)槿剂衔镔|(zhì)種類的不同而有細(xì)微差別。下面根據(jù)幾種不同類型的燃料進(jìn)一步加以說明：

3.1 烴類有機(jī)物燃料電池

3.2 含氧有機(jī)物燃料電池

此類有機(jī)物中除含碳、氫元素外，還含有氧元素。將各元素的化合價記為“0”價，分析電極產(chǎn)物可知起還原作用的元素也只有碳元素和氫元素。氧元素反應(yīng)后化合價降低，應(yīng)得到電子，因此在計(jì)算燃料失去的“凈電子”總數(shù)時，應(yīng)扣除其中氧本身得到的電子數(shù)。如燃料為CH3OH，1mol CH3OH參與電極反應(yīng)時，把C、H、O均記為“0價”，其中C和H的化合價升高，失去的電子總數(shù)為8mol；而O的化合價降低，得到2mol電子。這樣，燃料所失去的凈電子數(shù)應(yīng)是6mol，而不是8mol或其他數(shù)值。當(dāng)電解質(zhì)為酸性時，負(fù)極反應(yīng)式為：

CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。

下面以實(shí)例進(jìn)行討論：

例1 （江蘇高考節(jié)選）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。下列關(guān)于該電池的敘述正確的是（ ）

B.電池的負(fù)極反應(yīng)為：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+（其他選項(xiàng)略）

解：用零價法分析可得1mol葡萄糖參與反應(yīng)失去的凈電子數(shù)為（6×4+12×1）-（6×2）=24mol；根據(jù)圖可知電解質(zhì)為酸性環(huán)境，由守恒原理確定電極產(chǎn)物CO2、H+的化學(xué)計(jì)量系數(shù)分別為6、24。則寫出完整的電極反應(yīng)式：

C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+。

故B選項(xiàng)正確。

3.3 以肼類為燃料代表的燃料電池

例2 （節(jié)選）肼（N2H4）又稱聯(lián)氨，是一種可燃性的液體，可用作火箭燃料。已知在101kPa時，32.0g N2H4在氧氣中完全燃燒生成氮?dú)?，放出熱?24kJ（25℃時）。

問題（2）：肼-空氣燃料電池是一種堿性燃料電池，電解質(zhì)溶液是20%～30%的KOH溶液。肼-空氣燃料電池放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式是

。

解：由零價法原理，把N2H4中N和H元素記成“0”價，由題意電池產(chǎn)物為N2，其中氮元素的化合價為零價，化合價沒有改變；而氫元素的化合價從“0”價升高到+1價。則1mol N2H4參加反應(yīng)失去的凈電子數(shù)為4mol，再由電解質(zhì)為堿性環(huán)境和電荷守恒、質(zhì)量守恒，不難寫出負(fù)極反應(yīng)式為：

N2H4-4e-+4OH-=N2↑+4H2O。

運(yùn)用零價法書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式，關(guān)鍵是找準(zhǔn)燃料分子中起還原作用的元素，求得單位燃料被氧化后失去的“凈電子”總數(shù)，確定燃料與電子的化學(xué)計(jì)量系數(shù)之比；其次考慮電解質(zhì)環(huán)境，運(yùn)用電荷守恒確定電極反應(yīng)式中離子的系數(shù)；最后利用質(zhì)量守恒寫出缺少的物質(zhì)并觀察配平電極反應(yīng)式即可。表1給出了常見燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式作為學(xué)習(xí)者參考使用。

讀者可根據(jù)表中信息自行寫出幾種燃料在其他電解質(zhì)環(huán)境下的負(fù)極反應(yīng)式，以便進(jìn)一步理解并掌握“零價法”書寫負(fù)極反應(yīng)式的具體步驟。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉三先.淺析一種書寫燃料電池電極反應(yīng)式的新方法[J].中學(xué)教學(xué)參考，2014，（11）：80～81.

[2]周方盛.中學(xué)無機(jī)物氧化還原反應(yīng)的配平[J].數(shù)理化解題研究（高中版），2010，（1）：13～14.

[3]姚斌.“零價法”配平特殊類型的氧化還原反應(yīng)方程式[J].高中數(shù)理化，2003，（3）：43～44.

[4]趙菁，華祺年等.巧用“零價配平法”配平氧化還原方程式[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（9）：68.

[5]李志學(xué).關(guān)于碳元素的多種化合價的研究[J].化學(xué)教育，1996，（11）：33.