化学姐 是原电池中一种比较特殊的电池,它与原电池形成条件有一点相悖,就是不一定两极是两根活动性不同的电极,也可以用相同的两根电极。燃料电池有很多,下面主要介绍几种常见的燃料电池,希望达到举一反三的目的。 燃料电池的电极反应(主要是负极的电极方程式)是一个难点。我们知道,一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体)与氧气及电解质溶液共同组成的原电池,虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应,但其总反应方程式是可燃物在氧气中燃烧。 由于涉及电解质溶液,所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应,再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式,从而得到总反应方程式。由于在反应中氧气由0价变为-2价,所以肯定是O2得电子,即O2作氧化剂是正极,即可写出正极的电极反应式:O2 4e 2H2O=4OH_ ① (该反应式为常见的绝大多数燃料电池的正极反应式)。 若此时电解质溶液为酸性,则反应过程可以理解为:正极上首先发生: O2 4e-=2O2- 由于在酸性环境中大量存在H 故O2-会与H 结合成H20,故正极反应式应为:O2 4 e-+4H =2H2O ② 若电解质为中性或碱性时,则正极反应式就只是①。此时负极反应式就可由总电极方程式减去正极的电极方程式得到(注意要将方程式中的氧气抵消掉)。 (1)直接法书写电极反应式:(以氢氧燃料电池为例) 解析:H2、O2燃料电池中反应实质为:2H2 O2=2HO 电极上H2-2e-=2H O2 4e-=2O2 在不同环境中H 、O2-会与电解质发生不同的反应,故电极反应也相应不同: ①、酸性环境中:H 能稳定存在,O2-会与H 结合成H20, 负极:2H2-4e-=4H 正极:O2 4H 4e-=2H2O ②、碱性环境中:H 不能稳定存在会与OH-结合成水,而O2-也不能稳定存在会与水结合形成OH- 负极:2H2-4e- 4OH-=4H20 正极:O2 2H2O 4e-=4OH- ③、中性环境中:H 能稳定存在:02-会与H20结合成OH-: 负极:2H2-4e-=4H 正极:O2 2H20 4e-=4OH- ④、在能传导O2-的固体电解质中:由于O2-能存在,而H 会与固体电解质中O2-结合形成水 负极:2H2-4e- 2O2-=2H2O 正极:O2 4e-=2O2- (2)加减法书写电极方程式: 由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池。 解析:CH3OH O2→CO2 H2O……① 但:CO2在碱性环境中不存在,会与OH-反应生成CO32- CO2 2OH- =CO32- H2O……② 故将①、②式进行叠加即为总反应: 2CH3OH 3O2 4OH-=2CO32- 6H2O ……③ 由于正极反应式为:O2 2H2O 4e-=4OH_……④ 由于电解质溶液为碱性,所以正极的产物不再进一步反应,则负极的反应式为总反应方程式减去正极的反应式得到: 2CH3OH 3O2+4OH--3O2-6H2O -12e-=2CO32- 6H2O-12OH- 调整之后得(负极):CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O 氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂(Pt)或石墨做电极材料,负极通入H2,正极通入 O2,总反应为:2H2 O2 = 2H2O。电极反应特别要注意电解质,有下列三种情况: 1.电解质是KOH溶液(碱性电解质) 负极发生的反应为:H2– 2e- = 2H ,2H 2OH- = 2H2O,所以:负极的电极反应式为:H2– 2e- 2OH- = 2H2O; 正极是O2得到电子,即:2O2 4e-= 2O2- ,O2- 在碱性条件下不能单独存在,只能结合H2O生成OH-即:2O2- 2H2O = 4OH- ,因此,正极的电极反应式为:O2 H2O 4e- = 4OH- 。 2.电解质是H2SO4溶液(酸性电解质) 负极的电极反应式为:H2– 2e- = 2H 正极是O2得到电子,即:O2 4e-= 2O2- ,O2- 在酸性条件下不能单独存在,只能结合H 生成H2O即:O2- 2H =H2O,因此正极的电极反应式为:O2 4H 4e- = 2H2O 3. 电解质是NaCl溶液(中性电解质) 负极的电极反应式为:H2– 2e- = 2H 正极的电极反应式为:O2 H2O 4e- = 4OH- 说明: 1.碱性溶液反应物、生成物中均无H 2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH- 3.中性溶液反应物中无H 和OH- 4.水溶液中不能出现O2- 二、甲烷燃料电池 甲烷燃料电池以多孔镍板为两极,电解质溶液为KOH,生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3,所以总反应为:CH4 2KOH 2O2 = K2CO3 3H2O。 负极发生的反应:CH4– 8e- 8OH- =CO2 6H2O CO2 2OH- = CO32- H2O,所以: 负极的电极反应式为:CH4 10 OH- 8e- = CO32- 7H2O 正极发生的反应有:O2 4e- = 2O2- 和O2- H2O = 2OH- 所以: 正极的电极反应式为:O2 2H2O 4e- = 4OH- 说明:掌握了甲烷燃料电池的电极反应式,就掌握了其它气态烃燃料电池的电极反应式。 三、甲醇燃料电池 甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质: 1.碱性电解质(KOH溶液为例) 总反应式:2CH3OH 3O2 4KOH= 2K2CO3 6H2O 正极的电极反应式为:3O2 12e- 6H2O=12OH- 负极的电极反应式为:CH3OH-6e- 8OH- = CO32- 6H2O 2. 酸性电解质(H2SO4溶液为例) 总反应: 2 CH3OH 3O2 = 2CO2 4H2O 正极的电极反应式为:3O2 12e- 12H = 6H2O 负极的电极反应式为:2 CH3OH-12e- 2H2O = 12H 2CO2 说明:乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同 四、 铝–空气–海水电池 我国首创以铝–空气–海水电池作为能源的新型海水标志灯,以海水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟,就会发出耀眼的白光。 电源负极材料为:铝;电源正极材料为:石墨、铂网等能导电的惰性材料。 负极的电极反应式为: 4Al-12e-=4Al3 ; 正极的电极反应式为: 3O2 6H2O 12e-=12OH- 总反应式为:4Al 3O2 6H2O=4Al(OH)3 说明:铝板要及时更换,铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积。 |
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