燃料电池中电极反应式的书写方法.doc

燃料电池中电极反应式的书写方法 漳浦道周中学化学组 纪辉 电极反应式是在各类考试中经常会出现的问题。特别是燃料电池电极反应式的书写，更是学生们难以掌握，倍感困惑的难题，那本文就以甲烷为例说明电极反应式的书写。 一.基础知识 燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能。燃料电池的工作原理是可燃物从负极失去电子，这些电子从外电路流到正极。同时，余下的阳离子通过电解液被送到正极，且与氧气发生反应并从负极获得电子。 二..书写原则 所有的燃料电池的工作原理都是一样的，电极反应式的书写也同样是有规律可循的。大家知道电极反应都属于氧化还原反应，所以书写时要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒。燃料电池的总反应方程式以燃料的燃烧方程为依托，电池反应中电子转移要守恒，电极反应是个半反应，在写电极反应式时要注意得失电子的数目与电荷的平衡。除此之外还要遵循： 1．加和性原则：两个电极反应式相加，再消去电子后得到电池总反应式。利用此原则，电池的总反应式减去已知的一个电极反应式便可得到另一个电极反应方程式。 2．共存性原则：不同类型的燃料电池可有不同种类的电解质，其电解质通常有酸性、中性或碱性电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。在不同的电解质中，燃料电池的电极反应式就有不同的表示方法O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。O2-离子也不能单独存在，O2-离子O2＋CO2＋4e-=2 CO32-。 当电解质为固体电解质时，如固体氧化锆—氧化钇该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。燃料电池正极反应式本质都是O2＋4e-=2O2-，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。H2O，OH-， H+ 在方程式等号的左边还是右边。 三.注意事项 1.燃料作负极：电池的负极一定是可燃性气体。且失去电子，元素的化合价升高，发生氧化反应。 氧气作正极：电池的正极一定是助燃性气体，且得电子，元素的化合价降低，发生还原反应。 2.电极不反应：燃料电池的电极材料一般不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气。两个电极只起到传导电子的作用。 3. 正负两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下，相叠加后的电池反应必须是燃料燃烧反应和燃料产物于电解质溶液反应的叠加反应式。书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，写出燃料电池的正第三步，因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式CH4+2O2→CO2+2H2O 而在碱性环境下，CO2不能存在，与OH-离子可以发生反应，所以总反应方程式为：CH4+2O2+2OH-→CO32-+3H2O （1）酸性环境下：负极发生氧化反应，是失去电子的一极，并且失去电子的物质带正电。由于氧气参与反应，反应后氧元素均显负二价，所以当1 mol O2反应时，电子转移的物质的量为4 mol，在该反应中氧气的计量数为2，则电子的物质的量为8 mol。由于氢离子带正电，根据等量关系，需要生成8 mol H+离子，而碳元素会生成CO2，再据质量守恒，等号左边需要加水，然后配平反应式。所以负极的电极反应式为： 负极：CH4+2H2O-8e-=8H++CO2 正极发生还原反应，是得电子的一极。根据加和性原则，便可以很容易得出其正极反应式为： 正极：2O2+8H++8e-=4H2O （2）碱性环境下：碱性环境中存在OH-离子,则生成的CO2会与OH-离子结合生成CO32-离子， 在该反应中氧气的计量数也为2，所以电子的物质的量也为8 mol。由于OH-离子带负电，显-1价，而CO32-离子也带负电，显-2价，根据等量关系，生成1molCO32-离子需要有10 molOH-离子参加反应，再根据质量守恒，等号右边需要加水，然后配平反应式。故负极的电极反应式为： 负极：CH4+10 OH--8e-=CO32-+7 H2O 根据加和性原则，得其正极反应式为： 正极：2O2+4H2O+8e-=8 OH- 以上论述便是本人对燃料电池电极反应式的书写方法的一点薄见，有何不足之处还望读者海涵，希望有机会能与大家共同探讨学习此方