燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法 重慶市璧山來鳳中學(xué) 全智勇燃料電池是一種高效，環(huán)境友好的發(fā)電裝置。近些年，有關(guān)燃料電池的在高考中的考察也逐漸成為了熱點。在學(xué)習(xí)原電池時，學(xué)生最感困難的是電極反應(yīng)式的書寫，特別是燃料電池電極反應(yīng)式的書寫。結(jié)合相關(guān)知識和高考動向，作以下歸納，希望對同學(xué)們有所幫助。一、有關(guān)燃料電池基本知識了解1、定義：燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它和其它電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，都是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不會發(fā)出火焰，其化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能，且廢物排放量很低。其中燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，這是我們書寫燃料電

2、池總反應(yīng)方程式的依據(jù)。2、燃料電池的電極規(guī)定燃料電池的兩極材料都是用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等兼有催化劑特性的惰性金屬，兩電極的材料相同。因此，燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)。3、燃料電池的電解質(zhì)不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應(yīng)式就有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應(yīng)式時要特別注意電解質(zhì)的種類。4、燃料電池的工作原理以氫氧燃料電

3、池為例，其工作原理是：氫氣（可燃物）從負極處失去電子（燃料被氧化掉），這些電子從外電路流到正極；同時，余下的陽離子（氫離子）通過電解液被送到正極。在正極，離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從負極獲得電子。5、燃料電池的優(yōu)點作為二十一世紀改善人類生活的“綠色電源”燃料電池，它具有以下優(yōu)點：燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過熱能這一種中間形式，所以它的能源利用效率很高。理論轉(zhuǎn)化率可以達到8590（實際中已經(jīng)達到4060）燃料電池的廢物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大減少了對環(huán)境的污染。燃料電池中無運動部件，工作時很安靜且無機械磨損?？傊?，燃料電池是一種新型無污染、無噪音、高效率的汽車動力和發(fā)電

4、設(shè)備，其投入使用可有效的解決能源危機、污染問題，是繼水力、火力、核能發(fā)電后的第四類發(fā)電化學(xué)能發(fā)電，被稱為二十一世紀的“綠色電源”。二、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應(yīng)式的書寫也同樣是有規(guī)律可循的。書寫燃料電池電極反應(yīng)式一般分為三步：第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式；第二步，寫出燃料電池的正極反應(yīng)式；第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負極反應(yīng)式。下面對書寫燃料電池電極反應(yīng)式“三步法”具體作一下解釋。1、燃料電池總反應(yīng)方程式的書寫因為燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫出燃料電池的總

5、反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。2、燃料電池正極反應(yīng)式的書寫因為燃料電池正極反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O24

6、e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步?，F(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O24H+4e-=2H2O。電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O22H2O +4e-=4OH-。電

7、解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如Li2CO3和Na2CO3熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在， O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應(yīng)式為O22CO2 +4e-=2CO32-。電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯氧化釔）該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為O24e-=2O2-。綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O24e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應(yīng)式時，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。3、燃料電池負極反應(yīng)式的書寫燃料電池負極反應(yīng)物種類比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷

8、、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負極反應(yīng)式相當困難。一般燃料電池的負極反應(yīng)式都是采用間接方法書寫，即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負極反應(yīng)式。三、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫應(yīng)用舉例1、電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液例1、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是21世紀獲得電力的重要途徑，美國已計劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時向一個電極通入空氣。試回答下列問題：這種電池放電時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是 。此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)是

9、 ；負極發(fā)生的電極反應(yīng)是 。電解液中的H+離子向 極移動；向外電路釋放電子的電極是 。比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力，使用燃料電池有許多優(yōu)點，其中主要有兩點：首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高，其次是 。解析：因燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，又且其電解質(zhì)溶液為稀硫酸，所以該電池反應(yīng)方程式是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。 按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書寫方法1知，在稀硫酸中，其正極反應(yīng)式為：3O212H+12e-=6H2O，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負極反應(yīng)式為：2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+。由原電池原理知負極失電子后經(jīng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到

10、正極，所以正極上富集電子，根據(jù)電性關(guān)系知陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。故H+離子向正極移動，向外電路釋放電子的電極是負極。答案：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O正極3O212H+12e-=6H2O；負極2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+正；負 對空氣的污染較小2、電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液例2、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，下列關(guān)于甲烷燃料電池的說法不正確的是 （ ）A、負極反應(yīng)式為CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2OB、正極反應(yīng)式為O22H2O +4e-=4OH-C、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變D、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量利用率

11、大解析：因甲烷燃料電池的電解質(zhì)為KOH溶液，生成的CO2還要與KOH反應(yīng)生成K2CO3，故該電池發(fā)生的反應(yīng)方程式是CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。從總反應(yīng)式可以看出，要消耗OH-，故電解質(zhì)溶液的堿性減小，C錯。按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書寫方法2知，在KOH溶液中，其正極反應(yīng)式為：O22H2O +4e-=4OH-。通入甲烷的一極為負極，其電極反應(yīng)式可利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式為CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O。選項A、B均正確。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，燃燒時產(chǎn)生的熱能是不可能全部轉(zhuǎn)化為功的，能量利用率不高，而電能轉(zhuǎn)化為功的效率要大的多，D項正確。故符合題意的是C。3、電

12、解質(zhì)為熔融碳酸鹽例3、某燃料電池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題：寫出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式。寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質(zhì)，加入的物質(zhì)是什么，它從哪里來？解析：由于電解質(zhì)為熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不會與CO32-反應(yīng)生成HCO3-的，故該燃料電池的總反應(yīng)式為： 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書寫方法3知，在熔

13、融碳酸鹽環(huán)境中，其正極反應(yīng)式為O22CO2 +4e-=2CO32-。通入丁烷的一極為負極，其電極反應(yīng)式可利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式求得，應(yīng)為2C4H10+26CO32-52e-=34CO2+10H2O。從上述電極反應(yīng)式可看出，要使該電池的電解質(zhì)組成保持穩(wěn)定，在通入的空氣中應(yīng)加入CO2，它從負極反應(yīng)產(chǎn)物中來。答案：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O正極：O22CO2 +4e-=2CO32-，負極：2C4H10+26CO32-52e-=34CO2+10H2OCO2從負極反應(yīng)產(chǎn)物中來4、電解質(zhì)為固體氧化物例4、一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對該燃料電池說法正確的是 ( )A. 在熔融電解質(zhì)中，O2-由負極移向正極B. 電池的總反應(yīng)是：2C4H1013O2 ® 8CO210H2OC. 通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O24e-2O2-D. 通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：C4H1026e-13O2-4CO25H2O解析：本題以丁烷燃料電池為載體綜合考查了原電池原理涉及的有關(guān)“電子流向、電極反應(yīng)式、總反應(yīng)式”等內(nèi)容，