杭進(jìn)華 蔣天平

燃料電池電極反應(yīng)式的書寫及應(yīng)用

杭進(jìn)華1蔣天平2

（1江陰市山觀中學(xué)江蘇江陰214437；2江蘇省宜興中學(xué)江蘇宜興214200）

原電池知識(shí)是高中化學(xué)中重要的基本概念之一，也是近幾年高考的熱點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，對(duì)于燃料電池的工作原理及電極反應(yīng)式的書寫，學(xué)生往往感到比較困惑。那么，如何理解燃料電池的工作原理，掌握電極反應(yīng)式正確的書寫方法，下面筆者就結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借助例題來談?wù)勥@類試題的解答方法。

一、有關(guān)燃料電池基本知識(shí)

1.燃料電池的電極規(guī)定

燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負(fù)極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)。

2.燃料電池的電質(zhì)

不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應(yīng)式有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應(yīng)式時(shí)要特別注意電解質(zhì)的種類。

3.燃料電池的工作原理

以氫氧燃料電池為例，其工作原理是：在負(fù)極，氫氣失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)；在正極，氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。

二、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法

1.若已知原電池的總反應(yīng)式

書寫規(guī)律：抓正極，減一減。

“抓正極”：因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一般是氧氣，正極都是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以可先寫出正極反應(yīng)式。正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是：O2+ 4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。

“減一減”：在電子守恒的基礎(chǔ)上，用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式，即得到負(fù)極反應(yīng)式。

下面以CH4、O2燃料電池以碳棒做電極材料，在幾種不同環(huán)境下的電極反應(yīng)式寫法為例，具體加以說明。

總反應(yīng)式：CH4+2O2=CO2+2H2O

（1）電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）

在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨(dú)存在，O2-離子結(jié)合H+離子生成H2O，即：2O2+8e-=4O2-，4O2-+ 8H+=4H2O，這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中：

正極反應(yīng)式為：2O2+8H++8e-=4H2O

“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式：CH4+2H2O-8e-= CO2+8H+

（2）電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液（如氫氧化鈉溶液）

由于堿性溶液中OH-參加反應(yīng),CO2轉(zhuǎn)化為CO32-,總反應(yīng)式：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。在堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，即：2O2+8e-=4O2-，4O2-+ 4H2O=8OH-，故在堿性電解質(zhì)溶液中：

正極反應(yīng)式為：2O2+4H2O+8e-=8OH-

“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式：CH4+10OH--8e-= CO32-+7H2O

（3）電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽

在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，即：O2+ 4e-=2O2-，2O2-+2CO2=2CO32-，則其正極反應(yīng)式為：O2+2CO2+4e-=2CO32-

“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式：CH4+4CO32--8e-= 5CO2+2H2O

（4）電解質(zhì)為熔融氧化物

該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為：2O2+8e-=4O2-

減一減得負(fù)極反應(yīng)：CH4+4O2-8e-=CO2+2H2O

綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O2+ 4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應(yīng)式時(shí)，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。

2.若不知原電池的總反應(yīng)式

書寫規(guī)律：定、算、補(bǔ)、配。

“定”：先確定原電池的正負(fù)極,然后確定正負(fù)極參與反應(yīng)的物質(zhì)及對(duì)應(yīng)產(chǎn)物；

“算”：由化合價(jià)升降數(shù)計(jì)算電子轉(zhuǎn)移數(shù)；

“補(bǔ)”：由電荷守恒，結(jié)合電解質(zhì)環(huán)境，判斷是否補(bǔ)離子、補(bǔ)何種離子；

“配”：由質(zhì)量守恒配平電極反應(yīng)方程式。

下面以乙醇—空氣燃料電池在堿性環(huán)境下的電極反應(yīng)式寫法為例具體加以說明。

（1）據(jù)化合價(jià)升、降分別列出含變價(jià)元素的物質(zhì)

負(fù)極：C2H5OH—2CO32-

正極：O2—OH-

（2）1molC2H5OH失去12mol電子，1molO2得到4mol電子，所以得到：

負(fù)極：C2H5OH-12e-—2CO32-

正極：O2+4e-—OH-

（3）若是酸性溶液,通常用H+或H2O來平衡電荷；若是堿性溶液,通常用OH-或H2O來平衡電荷。這里是堿性電池,應(yīng)以O(shè)H-或H2O來平衡電荷數(shù)。

負(fù)極：C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正極：O2+4e-+2H2O=4OH-

（4）據(jù)質(zhì)量守恒，配平方程式中各原子數(shù),并調(diào)整系數(shù)使正負(fù)兩極得失電子數(shù)相等。

負(fù)極：C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正極：3O2+12e-+6H2O=12OH-

所以，該燃料電池的總反應(yīng)為：C2H5OH+3O2+ 4OH-=2CO32-+5H2O

當(dāng)然，如果題目給定的是圖示裝置，應(yīng)先分析正負(fù)極，再根據(jù)書寫規(guī)律寫電極反應(yīng)式。

三、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫應(yīng)用舉例

1.電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液

例1：氫氧燃料電池是一種高效低污染的新型電池，其反應(yīng)式為：2H2+O2=2H2O，主要用于航空領(lǐng)域。它的電極材料一般具有很強(qiáng)的催化活性，如鉑電極、活性炭電極等。電解質(zhì)溶液可用40%的NaOH溶液或稀硫酸。請(qǐng)寫出電解質(zhì)溶液用稀硫酸時(shí)的電極反應(yīng)式。

解析：按上述燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法1（1）可知，酸性條件下，O2-離子結(jié)合H+離子生成H2O，故正極反應(yīng)式為：O2+4H++4e-=2H2O；由總反應(yīng)“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式：

2H2-4e-=4H+。

2.電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液

例2（09廣東）：可用于電動(dòng)汽車的鋁-空氣燃料電池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液，鋁合金為負(fù)極，空氣電極為正極。下列說法正確的是

（）

A.以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時(shí)，正極反應(yīng)都為：O2+2H2O+4e-=4OH

B.以NaOH溶液為電解液時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為：Al+ 3OH--3e-=Al(OH)3↓

C.以NaOH溶液為電解液時(shí)，電池在工作過程中電解液的PH保持不變

D.電池工作時(shí)，電子通過外電路從正極流向負(fù)極

解析：本題考查原電池的構(gòu)成、電極反應(yīng)方程式的書寫及電解質(zhì)溶液的影響，意在考查考生的遷移能力。按上述燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法1（2）可知，O2在以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時(shí)形成OH-，故A正確；以NaOH溶液為電解液時(shí)，Al形成AlO2-，B錯(cuò)；以NaOH溶液為電解液時(shí)，根據(jù)書寫方法2可以寫出總反應(yīng)式為：4Al+3O2+ 4NaOH=4NaAlO2+2H2O,C錯(cuò)；原電池工作時(shí)外電路電子由負(fù)極流向正極，D錯(cuò)。故符合題意的是A。

3.電解質(zhì)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(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題：

⑴寫出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式；

⑵寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。

解析：由于電解質(zhì)為熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，所以生成的CO2不會(huì)與CO32-反應(yīng)生成HCO3-，故該燃料電池的總反應(yīng)式為：2C4H10+ 13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法1（3）可知，在熔融碳酸鹽環(huán)境中，其正極反應(yīng)式為：O2+2CO2+4e-=2CO32-，“減一減”得負(fù)極反應(yīng)為：2C4H10+26CO32--52e-=34CO2+10H2O。

4.電解質(zhì)為固體氧化物

例4（05廣東）：一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對(duì)該燃料電池說法正確的是()

A.在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極

B.電池的總反應(yīng)是：2C4H10+13O2=8CO2+ 10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O2+ 4e-=2O2-

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

解析：本題以丁烷燃料電池為載體綜合考查了原電池原理涉及的有關(guān)“電子流向、電極反應(yīng)式、總反應(yīng)式”等內(nèi)容，根據(jù)電性關(guān)系，O2-由正極移向負(fù)極，A錯(cuò)。由丁烷的燃燒反應(yīng)及電解質(zhì)的特性知該電池的總反應(yīng)式為：2C4H10+13O2=8CO2+ 10H2O，B正確。按上述燃料電池“抓正極”的書寫方法1（4）可知，在熔融狀態(tài)下允許O2-在其間通過，故其正極反應(yīng)式為O2+4e-=2O2-，C正確。通入丁烷的一極應(yīng)為負(fù)極，D錯(cuò)。故符合題意的是B、C。

小資料

將改變?nèi)祟惿畹幕瘜W(xué)科技

據(jù)美國(guó)《生活科學(xué)》網(wǎng)站報(bào)道，該網(wǎng)站日前評(píng)選出未來將改變?nèi)祟惿畹氖罂萍迹渲杏袃身?xiàng)與化學(xué)有關(guān)：

1.氫經(jīng)濟(jì)

除了不斷消耗進(jìn)口石油，受石油供應(yīng)商的支配外，我們可以將水轉(zhuǎn)化為氫用來燃燒或者給燃料電池充電，而且，氫燃料的唯一副產(chǎn)品又是更多的水！然而，由于氫的密度小，因此氫的存儲(chǔ)仍然是一個(gè)令人頭痛的問題。不管怎樣，氫將有望成為取代目前石油經(jīng)濟(jì)的最佳候選人。

2.更好、更便宜的太陽(yáng)能電池

光電池（將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成為電能）的成本正在逐漸降低。在不到十年的時(shí)間中，光能的成本將等同于電網(wǎng)發(fā)電的成本，那時(shí)光電池將成為新型住宅建設(shè)中的標(biāo)準(zhǔn)特色裝置。你的房屋將可以在三分之一的時(shí)間內(nèi)自己發(fā)電（除了夜晚和惡劣天氣外）。

1008-0546（2010）01-0078-03

G632.479

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2010.01.030