燃料电池电极反应式书写的方法

    燃料电池电极反应式书写的方法

    长泰二中:叶勇强

    原电池知识是中学化学的一个重要的组成部分，是高考常考的热点，学生在学习原电池时最难掌握的却是燃料电池的电极反应式的书写。我结合自己多年的教学体会，从以下几点谈谈燃料电池的电极反应式的写法，供大家参考。

    一、理解燃料电池的原理。

    首先，要清楚燃料电池的组成:它是由正极(氧化剂电极)、负极(燃料电极)和电解质构成。燃料由化石燃料以及由此得到的衍生物，如氢、肼、烃、煤气等液体和气体燃料;氧化剂仅限于纯氧或空气;电解质类型通常有水剂体系(酸性、中性或碱性)的电解质、熔融盐的电解质、固体(氧化物或质子交换膜)的电解质等。

    其次，要知道电池电极反应的负极一定是可燃性物质，它发生失电子的反应，元素化合价升高，是氧化反应;正极一定是助燃性气体，它发生得电子的反应，元素化合价降低，是还原反应。

    第三，写电极反应时，一定要注意电解质是什么，其中的离子要和电极反应中出现的离子相对应，即在碱性电解质中，电极反应式不能出现氢离子，在酸性电解质溶液中，电极反应式不能出现氢氧根离子。

    第四，电极反应式必须遵循原子守恒，得失电子守恒，电荷守恒。而且正负两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下，相加后的电池反应式必须是燃料燃烧反应和燃料产物与电解质反应的相加反应式。

    二、燃料电池电极反应式的几种类型。

    燃料电池的负极反应，一般较难写出，而正极反应式和电池总反应式却较易写出。用电池总反应式减去正极反应式可得负极反应式，这是写负极反应式的一种简单且巧妙方法。但是大都情况下，题目给出的信息是不知电池的总反应式，那么学生只能根据题目的信息，分析清楚燃料和电解质的类型，从以下几种方法来书写。

    (一)、正极反应式的书写方法。

    燃料电池的正极一定是助燃性气体，一般是氧气。正极O获得电子后，可以这样2

    2,向学生解说，O得电子，若变成O后，只能在熔融状态下存在，比如在熔融碳酸盐状2

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    2,，-2-态下，O，2CO +4e=2CO;在水溶液状态下，O要么与H结合形成水，要么与HO2223

    ,，,结合形成OH，所以酸性条件下正极电极反应式为O，4 H，4,,2HO，碱性条件下22

    ,,正极电极反应式为O，2HO，4,,4 OH。 22

    (二)、负极反应式的书写方法。

    负极反应式的书写方法，要根据燃料的种类与燃料电池的电解质类型二者结合，可归纳出以下几种类型:

    1、燃料只含氢元素，实际上是氢气的燃料的电池。

    这种电池的电解质类型一般有两种:一是电解质为酸性溶液，二是电解质为碱性

    ，溶液。可以这样来引导学生理解，H失去电子后变成H，与酸性电解质的溶液可以共2

    ,，存，则负极反应式为H,2,,2 H，与碱性电解质的溶液不能共存，则负极反应式2

    ,,为H，2OH,2,,2HO; 22

    2、燃料由碳氢两元素或由碳氢氧三种元素组成。

    燃料电池发生反应分为两种情形，电解质为水溶液状态和熔融状态。水溶液状态

    ，,2,,下，氢元素存在三种形式， H、OH、HO存在，碳元素同样有三情形，CO、HCO、233

    ，2,CO。电解质在熔融状态下，氢元素一般于H存在，碳元素于CO或CO存在。学生一223旦理解这样情况，再结合题目给出电解质，应能很快书写出负极电极反应式。

    例如:

    甲烷做为燃料的，电解质为KOH溶液的燃料电池，一种方法可以这样理解:CH4

    2,中C元素化合价为,4价，反应后变为，4价，在碱性介质下只能以CO存在，碳原3子需结合氧原子形成碳酸根离子，则氧原子需从水分子或氢氧根离子处获得，若从水分子中得到一个氧原子，余下是氢离子，在碱性介质下是不可能存在，所以只能从氢氧根离子获得氧原子，并生成水分子，氢离子与氢氧根离子结合生成水。氧气获得电

    2-,子变为O后在碱性介质下只与水结合形成OH。因此不难写出电极反应式，负极反应

    ,,,,2,式为:CH，10OH,8,,CO，5 HO;正极电极反应式为:O，2HO，4,,4 OH。 43222

    2,另一种方法为:可以这样理解成甲烷燃烧成CO在碱性介质下会生成CO，所以23

    ,让学生先写出燃烧的化学方程式:CH，2 O,CO，2HO，再考虑CO与OH会反应生成42222

    ,2,2,CO和HO，由总反应方程式CH，2 O，2 OH,CO，3 HO，然后减去正极反应式324232

    ,,O，2HO，4,,4 OH，也可得出负极反应式。 22

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    三、燃料电池的电极反应式的配平方法。

    燃料电池的电极反应式的配平方法有许多种，直接得失电子守恒法、质量守恒法、电荷守恒法等等。但在多年的教学中我总结了一种得失电子结合电荷守恒法，针对复杂燃料电池的电极反应式的配平，学生容易掌握且行之有效，很实用。

    具体的配平方法如下面实例——甲烷燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)。在负极反应中，甲烷被氧化为二氧化碳，二氧化碳在碱性条件不能存在，需结合氢氧根离子生成碳酸根离子。甲烷中碳元素化合价由-4价升高到碳酸根中的+4价，故1 mol

    -2-甲烷发生反应失去8 mol电子，结合1 mol OH生成1 mol CO，再根据电荷守恒，电3

    -2-极反应式右侧1个CO带两个单位负电荷，故左侧应该有10个 OH,带有10个单位的3

    负电荷，扣除失去8个电子，余下有2个单位的负电荷，即电荷守恒，再根据原子守

    --2-恒，电极反应式右侧加上7 个 HO。即得CH + 10OH - 8e = CO + 7HO。而正极的2432电极反应式较为简单，这里就不再解析。

    再以甲醇燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)为例:负极反应中CHOH中碳元素3化合价由-2价，被氧化为+4价的二氧化碳，在碱性条件下只能以碳酸根离子存在，故

    -2-1 mol甲醇发生反应失去6 mol电子，结合1 mol OH生成1 mol CO，再根据电荷守3

    -2-恒，电极反应式右侧1个CO带两个单位负电荷，故左侧应该有8个 OH,带有8个单3

    位的负电荷，扣除失去6个电子，余下有2个单位的负电荷，即电荷守恒，再根据原

    --2-子守恒，电极反应式右侧加上7 mol HO。即得CHOH + 8OH - 6e = CO + 5HO。 2332

    综上所述，燃料电池的电极反应式的书写的方法，最重要的是明白原电池的工作原理，这一点对学生来说不难理解，正负极也能找到，但是对于有电解质溶液参与的电极反应来说就不知如何是好，就写不出电极反应式，如果能够理解燃料电池的原理，分清燃料电池电极反应式的几种类型，掌握燃料电池的电极反应式的配平方法，那么燃料电池的电极反应式的书写这一难题也就迎刃而解了。

地址:福建省漳州市长泰县第二中学

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    投稿人:高中化学老师:叶勇强

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