桑建强：高中化学解题方法归纳23

燃料电池两电极都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气，电极反应式的书写有难度。

●难点磁场

请试做下列题目，然后自我界定学习本篇是否需要。

熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO₂的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：

负极反应式：2CO＋2CO 4CO₂＋4e^－

正极反应式：                            。

总电池反应式：                          。

●案例探究

[例题]某原电池中盛有KOH浓溶液，若分别向________(填“正”或“负”，下同)极通入可燃性气体，向________极通入O₂，则电路中就有电流通过，试完成下列问题：

 

	可燃性 气体	正极反应	负极反应	电池总反应	pH变化
(1)	H2
(2)	H2S
(3)	CO
(4)	CH4
(5)	C2H4
(6)	C2H2

命题意图：考查学生书写燃料电池电极反应的能力。

知识依托：原电池原理和氧化还原反应原理。

错解分析：忽视电解质溶液是KOH溶液，误以为负极能放出酸性气体。

解题思路：燃料电池中，负极通入的气体具有可燃性，在反应中失去电子，被氧化到较高价态：氢元素将被氧化到最高价：＋1价，在碱性溶液中产物不是H^＋，而是H₂O——H^＋与OH^－结合的产物。

H₂S中硫元素，含碳物质中的碳元素将被氧化到＋4价，而＋4价的硫(或＋4价的碳)又不能单独存在，在其常见形式SO₂和SO  (或CO₂和CO )中，因周围环境显碱性生成酸性氧化物是不可能的，产物应为SO  (或CO )，O^2－由谁来提供？显然是OH^－，提供O^2－后裸离的H^＋怎么办？与别的OH^－结合生成H₂O。若燃料中含有＋1价的氢元素，则它反应前后的价态不变(都是＋1价)，氢元素反应前在含碳燃料中，反应后在生成物水中。负极电极反应式可根据电荷守恒而配平。

燃料电池中，正极通入的O₂得电子被还原，成为O^2－。

O²－4e^－====2O^2－

O^2－被H₂O分子俘获变为OH^－：

H₂O＋O^2－====2OH^－

将正、负两极电极反应式叠加，可得电池总反应。根据电池总反应可判定电解质溶液pH的变化。

答案：

	正极反应	负极反应	电池总反应	pH变化
(1)	O2＋4e－＋2H2O====4OH－	H2－2e－＋2OH－====2H2O	2H2＋O2====2H2O	变小
(2)		H2S－6e－＋8OH－====SO ＋5H2O	2H2S＋3O2＋4OH－====2SO ＋4H2O	变小
(3)		CO－2e－＋4OH－====CO ＋2H2O	2CO＋O2＋4OH－====2CO ＋2H2O	变小
(4)		CH4－8e－＋10OH－====CO ＋7H2O	CH4＋2O2＋2OH－====CO ＋3H2O	变小
(5)		C2H4－12e－＋16OH－====2CO ＋10H2O	C2H4＋3O2＋4OH－=====2CO ＋4H2O	变小
(6)		C2H2－10e－＋14OH－====2CO ＋8H2O	2C2H2＋5O2＋8OH－====4CO ＋6H2O	变小

●锦囊妙计

燃料电池的负极反应，一般较难写出，而正极反应和电池总反应却较易写出。用电池总反应减去正极反应可得负极反应，这是写负极反应式的一种巧妙方法。

●歼灭难点训练

1.(★★★)将例题中的惰性电极改为Al电极和Mg电极，并停止通气体，则：

(1)正极反应为：                  ；

(2)负极反应为：                  ；

(3)电极总反应式为：________；电解质溶液的pH变化为：________(填“增大”“不变”或“变小”)。

2.(★★★★)将例题中的“KOH(aq)”改为：稀H₂SO₄，其他同例题，试回答前(4)问。

3.(★★★★)将Al、Fe两电极分别插入盛有稀HNO₃的电解质溶液中组成原电池，试回答1题中三个问题。

4.(★★★★★)将Al、Cu两电极分别插入盛有18.4 mol·L^－1的H₂SO₄(aq)中组成原电池，试回答1中三问。

附：参考答案

难点磁场

提示：原电池中，正极上富余电子，通入正极上的O₂得到电子：

O₂＋4e^－====2O^2－

O^2－半径很小，在熔盐中不能单独存在，被CO₂分子俘获：

CO₂＋O^2－====CO

将正、负两极上的电极反应式叠加，可得总反应方程式。

答案：O₂＋2CO₂＋4e^－====2CO

2CO＋O₂====2CO₂

歼灭难点训练

1.提示：碱性溶液中，Al比Mg活泼，负极上Al失去电子。正极上H₂O得电子，逸出H₂，生成OH^－。

答案：(1)6H₂O＋6e^－====6OH^－＋3H₂↑(或6H^＋＋6e^－====3H₂↑)

(2)2Al－6e^－＋8OH^－====2AlO ＋4H₂O

(3)2Al＋2OH^－＋2H₂O====2AlO ＋3H₂↑  变小

2.提示：负极上，H₂、H₂S、CO、CH₄失电子，分别生成H^＋、H^＋和SO₂、CO₂、H^＋和CO₂，产物中O原子由H₂O提供。正极上，O₂得电子变为O^2－，O^2－与H^＋结合生成H₂O。

如果有水生成，溶液的浓度和pH都会发生变化。

答案：

	正极反应	负极反应	电池总反应	pH变化
(1)	O2＋4e－＋4H+====2H2O	H2－2e－===2H+	2H2＋O2====2H2O	变大
(2)		H2S－6e－＋2H2O==== SO2↑＋6H+	2H2S＋3O2====2SO↑＋2H2O	变大
(3)		CO－2e－＋H2O==== CO2↑＋2H+	2CO＋O2====CO2↑	不变
(4)		CH4－8e－＋2H2O==== CO2↑＋8H+	CH4＋2O2====CO2↑＋2H2O	变大

3.提示：活泼金属Al失电子变成Al^3＋，电子由负极流向正极，正极上NO  (而非H^＋)得电子变成NO逸出，同时有H^＋参加反应，与NO 的另外2个－2价的O原子结合成H₂O分子。

答案：(1)4H^＋＋NO ＋3e^－====2H₂O＋NO↑

(2)Al－3e^－====Al^3＋

(3)Al＋4H^＋＋2NO ====Al^3＋＋2H₂O＋NO↑  变大

4.解析：活泼金属Al在浓硫酸中钝化，Cu作负极失去电子成为Cu^2＋，电子流向正极，正极上溶液中的H₂SO₄分子得到电子变为H₂O和SO₂。由于纯硫酸的电离度大于纯水的电离度。而在水参加的电极反应式中，H₂O分子可拆为H^＋和OH^－，所以浓硫酸参加的电极反应式中，H₂SO₄分子可拆成H^＋和SO ；而依照离子方程式的写法，可知在电池反应中H₂SO₄分子不能拆分为离子。

因为电池反应中，H₂SO₄被消耗，且有H₂O生成，所以H₂SO₄逐渐变稀，c(H^＋)逐渐变大，pH逐渐变小，直至浓H₂SO₄变成稀H₂SO₄，Cu与稀H₂SO₄不再发生反应。但这时Al与稀H₂SO₄发生反应，负极上Al失电子变为Al^3＋，正极上H^＋得电子变为H₂。稀H₂SO₄被消耗，c(H^＋)变小，pH变大。

答案：(1)开始：4H^＋＋SO ＋2e^－====2H₂O＋SO₂↑，后来：2H^＋＋2e^－====H₂↑

(2)开始：Cu－2e^－====Cu^2＋，后来：Al－3e^－====Al^3＋

(3)开始：Cu＋2H₂SO₄(浓)====CuSO₄＋2H₂O＋SO₂↑，后来：2Al＋3H₂SO₄(稀)====

Al₂(SO₄)₃＋3H₂↑  先变小后变大

 

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http://u./file/f96da7959
桑建强：高中化学解题方法归纳----23燃料电池.doc