燃料電池的電極反應(yīng)反應(yīng)式書寫

◎柴愛群

一、理解燃料電池的原理

燃料電池是一種不經(jīng)燃燒，將燃料的化學(xué)能經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。燃料為可燃?xì)怏w或液體，例如化石燃料，以及由此得到的衍生物，如氫氣、醇、烴、煤氣等液體和氣體燃料等；氧化劑僅限于氧氣和空氣。燃料電池基本結(jié)構(gòu)與一般化學(xué)電源相同，由正極（氧化劑電極）、負(fù)極（燃料電極）和電解質(zhì)構(gòu)成，但其電極本身僅起催化和集流作用。燃料電池工作時(shí)，活性物質(zhì)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(yīng)產(chǎn)物不斷地排出，燃料電池就可以連續(xù)放電，供應(yīng)電能。

二、燃料電池電極反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)

所有的燃料電池的工作原理都一樣，其電極反應(yīng)的書寫同樣是有規(guī)律可循的。書寫燃料電池電極反應(yīng)式的步驟類似于普通原電池，在書寫時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.電池的負(fù)極一定是可燃性氣體，失電子，元素化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)；電池的正極一定是助燃性氣體，得電子，化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)。

2.燃料電池兩電極材料一般都不參加反應(yīng)，參與反應(yīng)的是通到電極材料上的燃料和氧氣，兩電極只是傳導(dǎo)電子的作用。

3.電極反應(yīng)式作為一種特殊的離子反應(yīng)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(yīng)時(shí)，一定要注意電解質(zhì)是什么，其中的離子要和電極反應(yīng)中出現(xiàn)的離子相對(duì)應(yīng)（在堿性電解質(zhì)中，電極反應(yīng)不能出現(xiàn)氫離子；在酸性電解質(zhì)溶液中，電極反應(yīng)不能出現(xiàn)氫氧根離子），即注意電極生成離子與電解質(zhì)繼續(xù)反應(yīng)。

三、燃料電池的書寫技巧

1.常規(guī)技巧 書寫燃料電池電極反應(yīng)式難點(diǎn)就在負(fù)極反應(yīng)上，所以我們可以先易后難，即先書寫總反應(yīng)，再書寫正極反應(yīng)，最后用總反應(yīng)減正極反應(yīng)即得負(fù)極反應(yīng)。書寫時(shí)注意反應(yīng)產(chǎn)物與電解質(zhì)的繼續(xù)反應(yīng)。

例1：氫氧燃料電池的電極書寫

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(fù)極通入H2，正極通入O2。

（1）電解質(zhì)溶液選用KOH

第一步：先書寫總反應(yīng)，總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O（產(chǎn)物不與電解質(zhì)反應(yīng)）；

第二步：書寫正極反應(yīng)，正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-（產(chǎn)物不與電解質(zhì)反應(yīng)）；

第三步：總反應(yīng)減正極反應(yīng)既得負(fù)極反應(yīng)得負(fù)極反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4e-+4OH-=4H2O（產(chǎn)物不與電解質(zhì)反應(yīng)）；

（2）電解質(zhì)溶液選用H2SO4

第一步：先書寫總反應(yīng)，總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O（產(chǎn)物不與電解質(zhì)反應(yīng)）；

第二步：書寫正極反應(yīng)，正極反應(yīng)有：O2+2H2O+4e-=4OH-；

產(chǎn)物與電解質(zhì)反應(yīng)：4OH-+4H+=4H2O；

總正極反應(yīng)式：O2+4H++4e-=2H2O；

第三步：總反應(yīng)減正極反應(yīng)既得負(fù)極反應(yīng)得負(fù)極反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)式為：H2-2e-=2H+

例2甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液）

第一步：書寫總反應(yīng)，總反應(yīng)為：CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O；

第二步：書寫正極反應(yīng)，正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-；

第三步：總反應(yīng)減正極反應(yīng)既得負(fù)極反應(yīng)得負(fù)極反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)式為：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O。

2.整合快速技巧 總結(jié)了以上電極反應(yīng)后，我們可以總結(jié)出更簡(jiǎn)便快速的書寫負(fù)極反應(yīng)方法。綜合分析發(fā)現(xiàn)：燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的模式是很規(guī)律的，即：燃料-ne-→酸性條件碳生成CO2；氫生成H+

堿性條件碳生成CO32-；氫生成H2O

書寫步驟：

第一步：快算燃料轉(zhuǎn)移電子數(shù)

方法：碳四氫一氧減二（既：一個(gè)碳原子失去4個(gè)電子；一個(gè)氫原子失去1個(gè)電子；燃料在含一個(gè)氧原子失去電子總數(shù)減去2個(gè)，可數(shù)出該燃料的失電子總數(shù)。）

如：CH4失去4+4=8個(gè)電子；C2H6O失去8+6-2=12個(gè)電子；CO失去4-2=2個(gè)電子。

甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液），負(fù)極：CH4+-8e-=CO32-

甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液選用H2SO4），負(fù)極：CH4-8e-=CO2

第二步：電荷守恒配平兩邊電荷

方法：電解質(zhì)溶液為酸性——用H+；電解質(zhì)溶液堿性——用OH-；

電解質(zhì)溶液為熔融氧化物——用O2-；

甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液），負(fù)極：CH4+10OH--8e-=CO32-

甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液選用H2SO4），負(fù)極：CH4-8e-=CO2+8H+

第三步：原子守恒完成負(fù)極反應(yīng)式書寫

方法：補(bǔ)H2O配平氫氧原子

甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液），負(fù)極：CH4+100H--8e-=CO32-+7H2O

甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液選用H2SO4），負(fù)極：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

四、習(xí)題專練

（1）乙烷燃料電池（酸性/堿性）的負(fù)極反應(yīng)式

（2）乙醇燃料電池（酸性/堿性）的負(fù)極反應(yīng)式

（3）葡萄糖燃料電池（酸性/堿性）的負(fù)極反應(yīng)式

（4）CO燃料電池（酸性/堿性）的負(fù)極反應(yīng)式

習(xí)題是鞏固的根本，只有通過習(xí)題的練習(xí)，學(xué)生才能得到鞏固和提高；只有通過習(xí)題的練習(xí)，學(xué)生才能將所學(xué)知識(shí)貫徹領(lǐng)悟；只有通過習(xí)題的練習(xí)，學(xué)生才能將所學(xué)的知識(shí)融入到日常的生活中。

五、結(jié)語

總之，對(duì)于原電池的電極反應(yīng)式的書寫，最重要的是明白原電池的工作原理，這一點(diǎn)對(duì)學(xué)生來說不難理解，但是對(duì)于有電解質(zhì)溶液參與的電極反應(yīng)，學(xué)生們就不知如何是好。學(xué)生們能找到正負(fù)極，但寫不出電極反應(yīng)式，也知道“負(fù)極失電子正極得電子”，卻忽略了得失電子變成離子后要進(jìn)入溶液中。如果溶液中存在的離子與在正極、負(fù)極得失電子變成的離子不能共存，則要繼續(xù)反應(yīng)，反之，不反應(yīng)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。