探究燃料電池電極反應式的書寫方法和技巧

梁淑培

摘 要：燃料電池電極反應式的書寫倍受命題人的青睞，是近年來高考中高頻考點之一，也是學生感到困難的部分之一，由于題材廣、信息新、陌生度大，很多學生做到這類試題時感到難解，在解題時無從下手。在高考理綜考試答題中由于時間緊、學生書寫易錯率高，目前輔導書籍上的講法良莠不齊，為了幫助同學們準確快速把握這類電池的電極反應式的寫法，筆者根據自己多年教學成功經驗，結合近六年來新課改和五屆高三的教學實踐經驗，結合自己的教學體會談談來燃料電池電極反應式的書寫方法和技巧，供大家參考。

關鍵詞：燃料電池；電極反應式書寫；技巧

所有燃料電池的工作原理都是一樣的，即氧化還原反應，而氧化還原反應的本質是：反應過程中有電子的得失或轉移，其特征是反應前后元素的化合價發生改變，因此，只要根據負極燃料燃燒前后元素化合價的變化即可直接書寫電極反應式，其電極反應的書寫同樣是有規律可循的。所有的燃料電池的工作原理書寫燃料電池電極反應式的步驟類似于普通原電池。

一、燃料電池電極反應式書寫方法

1.列物質，標得失 （列出電極上的物質變化，根據價態變化標明電子得失）。

2.選離子，配電荷 （根據介質選擇合適的離子，配平電荷，使符合電荷守恒）。

3.巧用水，配個數 （通常介質為水溶液，可選用水配平質量守恒）。

二、燃料電池電極反應式書寫實例探究

例1.氫氧燃料電池（以惰性金屬鉑做電極，H2燃料在不同電解質中的電極反應）

中性電解質溶液中（NaCl溶液為例），負極通入H2，正極通入O2，正極反應O2得到電子首先變為O2-，O2-與中性電解質溶液中H2O結合生成OH- ，或者最好讓學生記住規律，有O2參加的正極反應記為：吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH-，故正極反應式為：O2+2H2O + 4e- = 4 OH- ；在負極上1mol H2 失去 2mole- 生成2mol H+ ，根據電子守恒，其負極的電極反應式為：2H2-4e- = 4H+ ，總反應式為：2H2 + O2 = 2H2O 。

例2.含碳燃料電池（以石墨做電極，CH4 燃料在不同電解質中的電極反應）

酸性電解質溶液中（H2SO4溶液為例），負極反應物CH4中碳元素的化合價為-4價，生成物為CO2 ，其碳元素化合價為+4價，反應過程中碳元素的化合價升高8 ，所以負極1mol CH4失去的電子數為8mol ，故負極的電極反應式為：CH4–8e- + 2H2O = CO2+ 8H+，正極氧氣得到電子首先變為氧離子，在酸性溶液中生成的氧離子與氫離子結合生成水，根據電子守恒，其正極反應式為： 2O2+ 8e- +8H+ = 4H2O；總反應式為：CH4+2O2=CO2+2H2O 。

例3.肼燃料電池（以惰性金屬鉑為兩極，N2H4 燃料在不同電解質中的電極反應）

酸性電解質溶液中（H2SO4溶液為例），負極反應N2H4中氮元素的化合價為-2價，生成物為N2 ，其氮元素化合價為 0 價，反應過程中氮元素的化合價升高2 ，所以負極1mol N2H4失去的電子數為4mol，故負極的電極反應式為：N2H4–4e- = N2 + 4H+ ；正極上氧氣得電子發生還原反應，正極氧氣得到電子首先變為氧離子，在酸性溶液中生成的氧離子與氫離子結合生成水或者記口訣（吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH- ，在酸性電解質溶液中正極生成OH-與酸性電解質溶液中的H+生成H2O ），其正極的電極反應式為：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O ；總反應式為：N2H4 + O2 = N2 + 2H2O 。

例4.氨氣燃料電池（以惰性金屬鉑為兩極，NH3 燃料在電解質為KOH溶液中的電極反應）

NH3 燃料電池負極反應是還原劑NH3中氮失去電子被氧化N2 ，負極反應物NH3中氮元素的化合價為-3價，生成物為N2 ，反應過程中氮元素的化合價升高3價，生成1mol N2負極失去的電子數為6mol，剩余的H+ 與堿性電解質溶液中OH- 結合生成H2O ，根據質量和電荷守恒，負極反應式為：4NH3–12e- + 12OH- = 2N2 + 12H2O ，正極反應式為：3O2+6H2O+12 e- =12OH- ，總反應式為：4NH3+3O2 = 2N2 +6H2O 。

三、燃料電池電極反應式書寫技巧

1.正極發生還原反應，通入的氣體一般是氧氣，氧氣得到電子首先變為氧離子，根據電解質的不同，其正極電極反應式書寫分以下幾種情況：

① 在酸性溶液中生成的氧離子與氫離子結合生成水，其電極反應式為： O2+ 4e- + 4H+= 2H2O 。

② 在堿性溶液中，氧離子與氫氧根離子不能結合，只能與水結合生成氫氧根離子，其電極反應式為： O2+4e- +2H2O=4OH- （有O2參加反應記住：吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH-）。

③ 在熔融碳酸鹽中，氧離子與碳酸根離子不能結合，只能與二氧化碳結合生成碳酸根離子，其電極反應式為：O2 + 2CO2 + 4e- = 2CO32- 。

④ 在熔融氧化物介質中，氧氣得到電子轉化為氧離子，其電極反應式為：O2 + 4e- = 2O2- 。

2.負極發生氧化反應，有以下幾種情況：

① 若負極通入的氣體是氫氣，則在酸性溶液中： H2- 2e- = 2H+ ，在堿性溶液中：H2- 2e- + 2OH-= 2H2O ，在熔融氧化物中：H2 -2e- + O2-= H2O 。

② 若負極通入的氣體為含碳的化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均轉化為正四價碳的化合物、在酸性溶液中生成二氧化物氣體、在堿性溶液中生成碳酸根離子，熔融碳酸鹽中生成二氧化碳，熔融氧化物中生成碳酸根離子，含有氫元素的化合物最終都生成水。

3.書寫燃料電池的電極反應式時，正極的產物作為負極的反應物；堿性溶液反應物、生成物中均無H+；酸性溶液反應物、生成物中均無OH-；中性溶液反應物中無H+ 和OH-；水溶液中不能出現O2-。

例如：甲醇燃料電池以鉑為兩極，CH3OH中碳元素的化合價為-2價，生成物CO2中碳元素化合價為+4價，反應過程中碳元素的化合價升高6，負極1mol CH3OH失去的電子數為6mol，故電極反應式為：

① 酸性電解質溶液中（H2SO4溶液為例）負極的電極反應式為：CH3OH -6e- +H2O =6H++ CO2，正極反應式為：O2+4e- +4H+=2H2O ，根據電子守恒，總反應式為：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O ；

② 堿性電解質溶液中（KOH溶液為例）負極的電極反應式為：CH3OH -6e- +8OH- = CO32-+ 6H2O ，正極反應式為：O2 +2H20+4e- =4OH-，根據電子守恒，總反應式為：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O 。

四、燃料電池電極反應式書寫注意事項

1.通入可燃性氣體一定是電池的負極，失電子，元素化合價升高，發生氧化還原反應；通氧化性氣體一定是電池的正極，得電子，化合價降低，發生還原反應。

2.燃料電池兩電極材料一般都不參加反應，反應的是通到電極上的燃料和氧氣，兩電極只起催化和集流作用或電極本身僅起傳導電子的作用。

3.電極反應式作為一種特殊的離子反應方程式，也必須遵循原子守恒、電荷守恒。

4.寫電極反應時，一定要注意電解質是什么，在堿性電解質中，電極反應式中不能出現氫離子，在酸性電解質溶液中，電極反應式中不能出現氫氧根離子。

5.燃料電池發生電化學反應的最終產物與燃料燃燒的產物相同，正負兩極的電極反應式在得失電子守恒的條件下，兩電極反應式相加，消去電子后得電池總反應式與燃料燃燒的化學反應方程式相同。