高中化学燃料电池的书写方法

高中化学燃料电池的书写方法
几种常见的“燃料电池”的电极反应式的书写
燃料电池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。

一、氢氧燃料电池
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：O2＋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－＋2 H＋＝H2O，因此
正极的电极反应式为：O2＋4H＋＋4e－＝2H2O(O2＋4e－＝2O2－，2O2－＋4H＋＝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：2CH4O＋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：CH4O －6e－＋8OH－＝CO32－＋6H2O
2. 酸性电解质（H2SO4溶液为例）
总反应：2CH4O＋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：2CH4O－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
三、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 －＝4Al 3＋；正极的电极反应式为：3O 2＋6H 2O ＋12e －
＝12OH －
总反应式为：4Al ＋3O 2＋6H 2O ＝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.
●牛刀小试：
熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li 2CO 3和Na 2CO 3的熔融盐混合物作电解质，CO 为阳极燃气，空气与CO 2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 -
23−→−4CO 2＋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O 2，则电路中就有电流通过，试完成下列问题：
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。

●锦囊妙计
1、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。

2、O2－在酸性（H+）条件下不能单独存在，只能结合H＋生成H2O;
O2－在碱性(OH－)条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH－
●突击训练
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”)。

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
牛刀小试
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－====2O2－
O2－半径很小，在熔盐中不能单独存在，被CO2分子俘获：
CO2＋O2－====CO-2
3
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-2
3
2CO＋O2====2CO2
突击训练
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↑)
＋4H2O
(2)2Al－6e－＋8OH－====2AlO-
2
＋3H2↑变小
(3)2Al＋2OH－＋2H2O====2AlO-
2
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O2－，O2－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。

(而非H＋)
3.提示：活泼金属Al失电子变成Al3＋，电子由负极流向正极，正极上NO-
3
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
3
子。

答案：(1)4H＋＋NO-
＋3e－====2H2O＋NO↑
3
(2)Al－3e－====Al3＋
====Al3＋＋2H2O＋NO↑变大
(3)Al＋4H＋＋2NO-
3
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Cu2＋，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-2
；而依照离子方程式的写法，可知在电池反应中H2SO4分子不能
4
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Al3＋，正极上H＋得电子变为H2。

稀H2SO4被消耗，c(H＋)变小，pH变大。

＋2e－====2H2O＋SO2↑，后来：2H＋＋2e－====H2↑答案：(1)开始：4H＋＋SO-2
4
(2)开始：Cu－2e－====Cu2＋，后来：Al－3e－====Al3＋
(3)开始：Cu＋2H2SO4(浓)====CuSO4＋2H2O＋SO2↑，后来：2Al＋3H2SO4(稀)==== Al2(SO4)3＋3H2↑先变小后变大。