甲醇氧氣燃料電池電極反應式書寫的思維建模

甲醇氧氣燃料電池電極反應式書寫的思維建模摘要：甲醇氧氣燃料電池電極反應式書寫是燃料電池中相對較難的部分，通過探究甲醇氧氣燃料電池不同環(huán)境的電極反應的機理，有利于對同類燃料電池的反應原理的理解。如通過書寫酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液）、堿性環(huán)境（KOH溶液作為電解質(zhì)溶液）、熔融金屬氧化物（可以傳導O2-）、熔融的碳酸鹽四種環(huán)境中的正極和負極的電極反應式，可以建立起一種含碳、氫、氧元素燃料電池電極反應式書寫的思維模型，以致能夠快速、準確的書寫含碳、氫、氧元素燃料電池電極反應式。關鍵詞：思維建模；基元反應；燃料電池；電解質(zhì)溶液燃料電池電極反應的書寫因為環(huán)境的不同，所涉及的反應機理不一樣，書寫起來感覺較為復雜，但如果按照最基本的反應（基元反應）一步一步的書寫，最后把這幾個反應加合起來，就可以得到最終的電極反應式。書寫的基本思路是:按反應的先后順序，連續(xù)寫出每一步的基元反應，再利用產(chǎn)物，書寫下一步發(fā)生的反應，如同鏈式連鎖反應一樣，書寫到不能書寫為止（即直至不反應為止），再把各個反應式相加，得到最終的反應式就是該電極的電極反應式，這種方法可以較為準確書寫電極反應式，可以更好的理解和掌握基礎燃料電池的反應機理。高中化學甲醇氧氣燃料電池常涉及酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液）、堿性環(huán)境（KOH溶液作為電解質(zhì)溶液）、熔融金屬氧化物（可以傳導O2-）環(huán)境、熔融的碳酸鹽環(huán)境等四種反應環(huán)境。甲醇燃料電池是高中化學學習中基礎的燃料電池。通過甲醇燃料電池電極反應式的書寫，可以建立起含碳、氫、氧元素燃料電池電極反應式書寫的思維模型。一、酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液）酸性環(huán)境中，通入燃料的一極為負極，燃料發(fā)生氧化反應。甲醇燃料電池CH3OH被氧化后產(chǎn)物微粒通常為C4+和H+，所以負極發(fā)生的第一步反應為：CH3OH-6e-=C4++O2-+4H+，在水溶液體系中，C4+和O2-能與水發(fā)生C4++2H2O=CO2個+4H+和O2-+2H+=H2O反應，然后利用產(chǎn)物CO2和H+進一步思考下一級的反應，但H+和CO2在酸性體系中不能和其它物質(zhì)反應，達到鏈式反應的終點，反應式不能再往下寫了，就將這幾個反應式相加得：所得反應式CH3OH-6e-+H2O=CO2個+6H+為酸性環(huán)境下甲醇氧氣燃料電池的負極電極反應式。若根據(jù)電池的正負極得失電子守恒，可以寫為：2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2個+12H+。而通入氧氣的電極為電池的正極，氧氣發(fā)生還原反應的第一步為O2+4e-=2O2-，而O2-在酸性體系中（水溶液體系）不能獨立存在，會繼續(xù)與H+發(fā)生O2-+H+=OH—反應，OH-仍能繼續(xù)與H+發(fā)生OH-+H+=H2O反應。而H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應，反應式就寫到此，這時把前面的幾個基元反應相加得：而O2+4e-+4H+=2H2O就是甲醇氧氣燃料電池在酸性環(huán)境中的正極電極反應式，如果按照電子轉(zhuǎn)移守恒關系來寫，則正極反應式也可以寫為3O2+12e-+12H+=6H2O。所以在酸性環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應式如下：負極的電極反應式為：2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2個+12H+；正極的電極反應式為：3O2+12e-+12H+=6H2O；原電池總反應為：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2個。二、 堿性環(huán)境（稀KOH溶液）在堿性環(huán)境下，負極發(fā)生反應的第一步為：CH3OH-6e-=C4++O2-+4H+。因為在堿性水溶液中，各微粒可以連續(xù)發(fā)生下列一系列的鏈式反應：①C4++4OH-=CO2個+2H2O；②CO2+2OH-=CO32-+H2O；③O2-+2H+=H2O；④H++OH-=H2O。而產(chǎn)物中CO32-和H2O在堿性環(huán)境中可以大量存在了，達到鏈式反應的終點，這時把前面的幾個基元反應相加得：所以CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O是甲醇氧氣燃料電池堿性環(huán)境下的負極電極反應式，或者寫為2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O。正極反應發(fā)生的第一步為O2+4e-=2O2-，O2-在堿性體系中（水溶液體系）不能獨立存在，會繼續(xù)和H+反應，而堿性環(huán)境中的H+是由水電離出來的，因為水是弱電解質(zhì)，所以反應式寫為O2-+H2O=2OH-，而OH-在堿性體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應，達到反應終點，這時把前面的幾個基元反應相加得:所得反應式O2+4e-+2H2O=4OH-就是甲醇氧氣燃料電池在堿性環(huán)境中的正極電極反應式，或者可以寫為：3O2+12e-+6H2O=12OH-。所以在堿性環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應式如下：負極的電極反應式為：2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O；正極的電極反應式為：3O2+12e-+6H2O=12OH-；原電池總反應為：2CH3OH+3O2+4OH-=6H2O+2CO32-。三、 熔融金屬氧化物作介質(zhì)（能傳導O2-）熔融金屬氧化物作介質(zhì)的環(huán)境下，正極反應比較容易寫，并且在書寫負極電極反應式時需要結合正極反應轉(zhuǎn)移的電子，按電子守恒來寫較容易理解，所以先將容易書寫的正極電極反應式書寫出來。燃料電池正極氧氣被還原的第一步反應為：O2+4e-=2O2-，而O2-熔融金屬氧化物介質(zhì)中能獨立存在，不能和其它物質(zhì)反應，反應式書寫到此結束，所以O2+4e-=2O2-就是甲醇氧氣燃料電池在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的正極電極反應式，但如果負極有2molCH3OH發(fā)生氧化將失去12mole-，為了便于書寫和理解，根據(jù)正、負電極得、失電子數(shù)守恒，可以將正極反應式書寫為：3O2+12e-=6O2-。若正極有3mol氧氣被還原生成6molO2-，轉(zhuǎn)移12mole-，根據(jù)電子守恒，負極就應該有2molCH3OH被氧化，且產(chǎn)生8molH+。該環(huán)境下負極發(fā)生反應的第一步為2CH3OH-12e-=2C4++8H++2O2-，生成的C4+在熔融金屬氧化物作介質(zhì)中繼續(xù)與O2-反應即2C4++4O2-=2CO2個（因與H+的競爭關系，CO2還不能發(fā)生CO2+O2-=CO32-反應），而H+與O2-發(fā)生了8H++4O2-=4H2O反應，產(chǎn)物中的H2O和CO32-不會再繼續(xù)往下反應，達到鏈式反應的終點，這時把前面的幾個基元反應相加得：所得反應式2CH3OH-12e-+6O2-=2CO2個+4H2O就是甲醇氧氣燃料在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的負極電極反應式。所以在熔融金屬氧化物介質(zhì)的環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應式如下：負極的電極反應式為：2CH3OH-12e-+6O2-=2CO2個+4H2O；正極的電極反應式為：3O2+12e-=6O2-；原電池總反應為：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2個。四、 熔融碳酸鹽作介質(zhì)在熔融碳酸鹽作介質(zhì)的環(huán)境下，為便于書寫和理解，假設負極有2molCH3OH參與反應，根據(jù)電子守恒關系，負極發(fā)生的第一步反應為2CH3OH-12e-=2C4++2O2-+8H+，產(chǎn)物微粒H+接著和介質(zhì)中的CO32-發(fā)生反應8H++4CO32-=4H2O+4CO2個反應，離子反應因存在競爭關系，所以C4+先與產(chǎn)物中O2-發(fā)生C4++2O2-=CO2個反應，C4+再與介質(zhì)中的CO32-發(fā)生C4++2CO32-=3CO2個反與，反應式中的產(chǎn)物H2O和CO2都不再與體系中的其它物質(zhì)反應，達到鏈式反應的終點，將這四個反應式相加得：最終的反應式2CH3OH-12e-+6CO32-=4H2O+8CO2個就是該電池的負極電極反應式。正極區(qū)通常通入CO2和O2的混合氣體，正極發(fā)生的第一步為3O2+12e-=6O2-，產(chǎn)生的O2-又與CO2氣體發(fā)生6O2-+6CO2=6CO32-反應。在正極區(qū)域，因電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，CO32-能獨立存在，達到鏈式反應的終點，反應式不能繼續(xù)往下寫，就將這兩個反應式相加得：反應式3O2+12e-+6CO2=6CO32-就是甲醇氧氣燃料電池在熔融碳酸鹽介質(zhì)中的正極電極反應式。所以在熔融碳酸鹽作介質(zhì)的環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應式如下：負極的電極反應式為：2CH3OH-12e-+6CO32-=4H2O+8CO2個；正極的電極反應式為：3O2+12e-+6CO2=6CO32-；原電池總反應為：2CH3OH+3O2=4H2O+2