高考化学之燃料电池电极反应式的书写

高考化学之燃料电池电极反应式的书写

燃料电池电极反应式的书写 燃料电池电极反应式的书写是中学化学教学的难点，也是高考化学的常考考点之一，在书写时学生往往易错。参加北大附中课堂教学培训，感悟最深的是桑老师对燃料电池电极反应式的复习的处理，其复习教学设计如下：‎ 一、首先分清原电池的正、负极均为惰性电极，电极均不参与反应。‎ 二、正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子，根据电解质的不同，其负极电极反应式书写分以下几种情况：‎ ‎（1）在酸性溶液中生成的氧离子与氢离子结合生成水，其电极反应式为： O2 + 4e- + H+== 4H2O ‎（2）在碱性溶液中,氧离子与氢氧根离子不能结合,只能与水结合生成氢氧根离子,其电极反应式为： O2 + 4e -+ 2H2O== 4OH-‎ ‎（3）在熔融碳酸盐中,氧离子与碳酸根离子不能结合，只能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，其电极反应式为：O2+2CO2-+4e-==2 CO32-（4）在熔融氧化物介质中，氧气得到电子转化为氧离子,其电极反应式为： O2 + 4e- == 2O2- ‎ 三、负极发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产场结合，有以下几种情况：‎ ‎ (1)若负极通入的气体是氢气,则 ‎①酸性液中 H2 - 2e- == 2H+‎ ‎②碱性溶液中 H2 - 2e- + 2OH- == 2H2O ‎③熔融氧化物中 H2 - 2e- + O2- == H2O ‎(2) 若负极通入的气体为含碳的化合物CO、CH4、CH3OH等,碳元素均转化为正四价碳的化合物、在酸性溶液中生成二氧化物气体、在碱性溶液中生成碳酸根离子,熔融碳酸盐中生成二氧化碳，熔融氧化物中生成碳酸根离子。含有氢元素的化合物最终都有水生成。‎ 如CH3OH燃料电池：‎ 酸性溶液中负极反应式为:：CH3OH - 6e- + H2O == CO2↑ + 6H+‎ 碱性溶浚中负极反应式为：CH3OH - 8e- + 10OH- == CO32-+ 7H2O 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 +2H2O + 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 +2H2O + 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-‎ 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- + 6H20===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 ‎ ‎ 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- +2H2O === 4OH-  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－===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.‎ ‎ ‎ 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。在碱性条件正极反应为：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-；因此这类燃料电池的电极反应书写方法为：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。如：‎ 某原电池中盛有KOH浓溶液，若分别向负极通入以下可燃性气体，向正极通入O2，则电路中就有电流通过，试完成下列问题： ‎ ‎ ‎ 可燃性 气体 电池总反应 正极反应 负极反应 H2‎ ‎2H2+O2=2H2O O2 + 2H2‎ ‎2H2+4OH--4e-=4H2O O + 4e- = 4OH-‎ ‎②‎ CO ‎2CO + O2+4 OH-==2CO32-+2H2O ‎2CO+8 OH--4e--==2CO32-+4H2O ‎③‎ CH4‎ CH4+2O2+2OH-==CO32-+3H2O CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O ‎④‎ CH3OH ‎2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O 以④为例讲解此类电极反应的书写：‎ ‎  方法一：直接书写负极反应步骤：①2 CH3OH+_____-12e-=2CO32-+______（抓住总反应中电子转移数） ②根据电极反应式左右同电性等电量原则确定OH-数：将左端“-12e- ”移到右端看成“2CO32-  + 12e- ”即共16个负电荷，故左端应有“16 OH-” ③由“H”确定“H2O”的系数应为12。因此负极的电极反应为“2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H2O”‎ 方法二：先根据总反应写出正极反应：“3O2 +6H2O +12e- = 12OH-”，然后用总反应式：“2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O”减去正极反应即可得负极反应。‎ 练习:‎ ‎1、在乙醇燃料电池（电解质为KOH）中，通入正极的物质的化学式为      ；正极的电极反应式为      ；乙醇在   极发生了    反应（还原或氧化）；负极的电极反应式为：         。‎ · 答案: O2   O2 +2H2O +4e —= 4OH—  负极 氧化  C2H6O+16OH——12 e —=2CO32-+11H2O ‎2、写出乙烷，空气，KOH组成的燃料电池的电极反应。‎ · 答案：燃料电池的电解质是碱性的，因此电极反应中不允许出现H+ ，CO2等物质 ，因为这些物质都会与ＯＨ－反应　 正极：O2 +2H2O +4e —= 4OH— 负极: ⑵C2H6-14e-+18OH-=2CO32-+12H2O 总反应　2C2H6+7O2+8OH- -=4CO32-+10H2O ‎3、‎ 写甲烷燃料电池在固体电解质（高温下能传导O2-）下的电极反应式 答案： 正极反应：O2+4e-=202- 负极反应：CH4+4O2--8e-=CO2+2H2O ‎4、写甲烷燃料电池在熔融碳酸盐（如：熔融K2CO3）环境下的电极反应式 答案：正极反应式：O2+2CO2+4e－＝2CO 负极反应式：CH4+4CO-8e－= 5CO2+2H2O