燃料電池的電極反應(yīng)書寫

【摘 要】 電化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)的重要研究方向，中學(xué)高考必考內(nèi)容，書寫燃料電池的電極反應(yīng)，對理解電化學(xué)原理，以及不同反應(yīng)介質(zhì)的離子運動方向和電極反應(yīng)式。

【關(guān) 鍵 詞】 電化學(xué)；酸溶液；堿溶液；熔融氧化物；熔融鹽；鹽橋

電化學(xué)是高考必考考點之一，其中理解原電池關(guān)鍵是尋找氧化還原反應(yīng)，難點是處理信息中不同離子導(dǎo)電的電極反應(yīng)。

筆者以甲烷燃燒為例設(shè)計原電池，分析在常見電解質(zhì)溶液中電極反應(yīng)的書寫方法。甲烷燃燒的氧化反應(yīng)是CH4失去電子被氧化成+4價的碳和+1價的H；還原反應(yīng)是O2得到電子被還原為-2價的O。難點是在電解質(zhì)溶液中通過什么離子導(dǎo)電實現(xiàn)原電池（依據(jù)原電池原理，導(dǎo)電的陽離子向正極移動，陰離子向負極移動），關(guān)鍵是抓住溶液中導(dǎo)電的離子運動方向，使反應(yīng)物和生成物實現(xiàn)相應(yīng)離子運動方向，即生成物要寫成電解質(zhì)溶液中對應(yīng)化合物的存在形式，原電池自然不難理解，書寫電極反應(yīng)也就方便了。

一、H+導(dǎo)電，關(guān)鍵是實現(xiàn)H+由負極移向正極（酸溶液或質(zhì)子交換膜）

以硫酸為電解質(zhì)溶液設(shè)計的甲烷燃料電池。負極是CH4失去電子生成H+向正極運動，被氧化成+4價的在H+存在時生成CO2；

即首先可以書寫出CH4-e-=CO2+H+；

再利用原子守恒在反應(yīng)物中添加酸溶液的H2O；

配平方程式即為負極電極反應(yīng)：2H2O+CH4-8e-=CO2+8H+

同樣正極是O2得到電子被還原為-2價的O，與運動過來的H+結(jié)合寫為H2O形式，即首先寫出O2+e-+H+=H2O。

例1 （2012北京12）人工光合作用能夠借助太陽能，用CO2和H2O制備化學(xué)原料。圖1是通過人工光合作用制備HCOOH的原理示意圖，下列說法不正確的是（ ）

A. 該過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程

B. 催化劑a表面發(fā)生氧化反應(yīng)，有O2產(chǎn)生

C. 催化劑a附近酸性減弱，催化劑b附近酸性增強

D. 催化劑b表面的反應(yīng)是CO2+2H++2e-=HCOOH

二、OH-導(dǎo)電，關(guān)鍵是實現(xiàn)OH-由正極移向負極（強堿溶液或OH-交換膜，熔融的KOH）

以燒堿為電解質(zhì)溶液設(shè)計的甲烷燃料電池，負極是CH4失去電子被氧化成+4價的碳與運動過來的OH-結(jié)合寫成CO32-，+1價的H與OH-寫成H2O；

即首先可以書寫出CH4-e-+OH-=CO32-+H2O；

最后配平方程式即為負極電極反應(yīng)10OH-+CH4-8e-=CO32-+7H2O

同樣正極是O2得到電子生成OH-向負極運動，被還原為-2價的O生成OH-形式。即O2+e-=OH-，利用原子守恒在反應(yīng)物中添加堿溶液的H2O，配平方程式即為正極的電極反應(yīng)：2H2O+O2+4e-=4OH-

三、酸根離子導(dǎo)電，關(guān)鍵是實現(xiàn)酸根陰離子由正極向負極移動（熔融鹽導(dǎo)電或酸根離子交換膜）

以熔融碳酸鈉為電解質(zhì)設(shè)計甲烷燃料電池。關(guān)鍵是碳酸根離子由正極向負極運動，負極是CH4失去電子被氧化+4價的碳，結(jié)合運動過來的CO32-生成CO2形式存在，+1價的H自然結(jié)合CO32-成H2O和CO2。

即首先可以書寫出CH4-e-+CO32-=CO2+H2O

配平方程式即為負極電極反應(yīng)：4CO32-+CH4-8e- =5CO2+2H2O

同樣正極是O2得到電子生成CO32-向負極運動。即O2+e-=CO32-，說明在正極反應(yīng)氣中要混有CO2，反應(yīng)物中添加CO2

配平方程式即為正極的電極反應(yīng)：2CO2+O2+4e-=2CO32-

例2 （2000全國）熔融鹽燃料電池可用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作電解質(zhì)，CO為負極燃氣，空氣與CO2混合氣味正極助燃氣，制得在6500C下工作的燃料電池，完成負極反應(yīng)式_________________，正極反應(yīng)式__________________。

四、O2-導(dǎo)電，關(guān)鍵是O2-由正極移向負極

以熔融氧化鈉導(dǎo)電設(shè)計甲烷燃料電池。負極是CH4失去電子被氧化成+4價的碳結(jié)合運動來的O2-寫成CO2形式，+1價的H結(jié)合O2-自然是H2O；

即可以書寫出CH4-e-+O2-=CO2+H2O

配平方程式即為負極電極反應(yīng)：4O2-+CH4-8e-=CO2+2H2O

同樣正極是O2得到電子生成O2-向負極運動，被還原為-2價的O2-

即得正極的電極反應(yīng)O2+4e-=2O2-

例3 （2013“浙江六校”第一次聯(lián)考）某汽車尾氣分析儀以燃料電池為工作原理測定CO的濃度，其裝置如圖2所示，該電池中電解質(zhì)為氧化釔-氧化鈉，其中O2-可以在固體介質(zhì)NASICON中自由移動。下列說法不正確的是（ ）

A. 工作時電極b作正極，O2-由電極b流向電極a

B. 負極的電極反應(yīng)式為：CO+O2--2e-=CO2

C. 當(dāng)傳感器中通過2×10-3mol電子時，說明通過的尾氣中含有2.24mL CO

D. 傳感器中通過的電流，越大，尾氣中CO的含量越高

五、鹽橋?qū)щ姡P(guān)鍵是鹽橋中的金屬陽離子向正極運動，鹽橋中的酸根離子向負極運動）

如以硫酸為電解質(zhì)溶液為設(shè)計銅鋅原電池，為防止鋅與硫酸直接反應(yīng)，設(shè)計成如圖3，鹽橋中Cl-向負極運動，負極電極反應(yīng)為：Zn-2e-=Zn2+，溶液中Zn2+濃度增大，正極電極反應(yīng)為：2H++2e-=H2，K+向正極運動，正極溶液由H2SO4轉(zhuǎn)化為K2SO4溶液。

在以金屬為電極參與反應(yīng)的原電池設(shè)計中經(jīng)常使用鹽橋防止金屬電極與溶液直接發(fā)生化學(xué)腐蝕，同時實現(xiàn)陰陽極之間的離子定向運動導(dǎo)電，維持溶液電荷守恒。

【答案】

例1 選C 解析：負極H2O氧化生成H+，向正運動結(jié)合CO2生成乙酸。

例2 負極CO-2e-+CO32-=2CO2 正極反應(yīng)O2+4e-+2CO2=2CO32- 解析：關(guān)鍵實現(xiàn)正極生成CO32-移動向負極。

例3 選C 解析：關(guān)鍵是正極生成O2-向負極運動，CO標(biāo)況下為2.24mL。

【參考文獻】

[1] 衣寶廉. 燃料電池——原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 詹姆斯·拉米尼，安德魯·迪克斯. 燃料電池系統(tǒng)——原理·設(shè)計·應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] 毛宗強. 燃料電池[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.