用技巧書寫燃料電池電極反應式

祁美霞

【摘 要】《高中化學選修4》第四章《電化學基礎》中涉及電極反應式及電極反應方程式的書寫，電池電極反應式的書寫是中學化學教學的難點，也是高考化學的常考考點之一，在書寫時學生往往易錯，特別是燃料電池負極反應式的書寫。如何才能正確而又輕松地書寫出電極反應式，關鍵是掌握電極反應式的書寫技巧。燃料電池中發生的反應都是氧化還原反應，根據氧化還原反應的規律、電荷守恒、原子個數守恒，可以正確書寫電極反應式。

【關鍵詞】燃料電池 ? ? 電極反應式 ? ? 書寫 ? ? 技巧

燃料電池正極反應式書寫相對容易，而燃料電池負極反應物為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質，不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負極反應式比較困難。一般燃料電池的負極反應式都是采用間接方法書寫，第一步，先寫出燃料電池的總反應方程式;第二步，寫出燃料電池的正極反應式;第三步，在電子守恒的基礎上用燃料電池的總反應式減去正極反應式即得到負極反應式。以上方法適用于初學電極反應的學生，比較費時間;在考試中如果能快速直接書寫出燃料電池電極反應，將會給考生節省更多的時間。我結合自己的經驗，總結了一些技巧。

+1價H有兩種表現形式H+和H2O，在酸性環境中+1價H以H+的形式表現，在中性或堿性環境中+ 1價H以H2O的形式表現;-2價O有四種表現形式O2-、CO32-、H2O和OH-，電解質為固體電解質（如固體氧化鋯-氧化釔），高溫下可允許O2-離子在其間通過;在熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混合物）環境中O2-+CO2 =CO32-;溶液中酸性環境：2O2-+4H+ =2H2O ，溶液中中性或堿性環境：2O2-+2H2O =4OH-。

綜上所述，在不同電解質環境中，其電極反應式的書寫形式有所不同。因此在書寫電極反應式時，要特別注意所給電解質的狀態和電解質溶液的酸堿性。

技巧寫法：以電解質為酸溶液，燃料電池的正極反應式書寫為例，基于上面的分析，在溶液中，O2-離子不能單獨存在，-2價的O有兩種存在形式：H2O和OH-;酸性溶液，-2價的O的存在形式為H2O，不可能為OH-。

1.寫出主要的反應物和生成物， O2→ ?H2O; ?2.標出變價元素的化合價，算出得失電子的數目，O2 +4e- ?→H2O ;3.元素守恒，后面有H元素，前面必然有H元素，酸性溶液，+ 1價H以H+形式出現，O2 +4e- +H+ →H2O;4.平衡電荷，生成物不帶電荷，反應物正負電荷代數和為0，O2 +4e- +4H+ → ?H2O;5.完整配平，原子個數守恒，O2 +4e- +4H+ →2H2O。根據以上五步，書寫電極反應，快而準。

燃料電池負極反應式的書寫。

技巧寫法：以甲烷燃料電池的電解質溶液為KOH溶液為例。電解質溶液為KOH，CH4 反應生成的CO2會和KOH反應生成CO32-。

1.寫出主要的反應物和生成物， CH4 →CO32-; ? 2.標出變價元素的化合價，算出得失電子的數目，CH4-8e- →CO32-;3.元素守恒，前面有H元素，后面必然有H元素，堿性溶液，+ 1價H以H2O形式出現，CH4-8e- →CO32- + H2O;后面有O元素，前面必然有O元素，堿性溶液，-2價的O以OH-形式存在，CH4-8e- +OH- ?→CO32- + H2O;4.平衡電荷，生成物帶兩個單位負電荷，反應物也應該帶兩個單位負電荷，減去8個單位的負電荷，相當于帶8個單位的正電荷，CH4-8e- +10OH- ?→CO32- + H2O;5.完整配平，原子個數守恒，CH4-8e- +10OH- ?→CO32- +7H2O。根據以上五步，書寫電極反應，快而準。

由以上技巧寫出的兩個電極的反應式，在得失電子相同的情況下加起來，即可得到總的電池反應。

技巧法書寫燃料電池電極反應式應用舉例。

1.甲醇、氧氣和強堿溶液作電解質溶液的手機電池（可充電電池），試回答下列問題：

⑴放電時，CH3OH參與反應的電極為______極。

⑵放電時，負極電極反應：_______________。

⑶標況下，通入11.2LO2完全反應，轉移電子_____mol。

⑷充電時，電解質溶液的pH逐漸________。

解析：⑴燃料電池正極通氧氣，負極通可燃性物質，CH3OH參與反應的電極為負極。⑵放電時的負極反應技巧書寫：電解質溶液為強堿，CH3OH 反應生成的CO2會和強堿反應生成CO32-，①寫出主要的反應物和生成物，CH3OH →CO32-;②標出變價元素的化合價，算出得失電子的數目，CH3OH-6e- →CO32- ; ?③元素守恒，前面有H元素，后面必然有H元素，堿性溶液，+1價H以H2O形式出現，CH3OH-6e- →CO32- + H2O，后面O元素多，前面O元素少，堿性溶液，-2價的O以OH-形式存在，CH3OH-6e- +OH- ?→CO32- + H2O;④平衡電荷，生成物帶兩個單位負電荷，反應物也應該帶兩個單位負電荷，減去6個單位的負電荷，相當于帶6個單位的正電荷;CH3OH-6e- +8OH- ?→CO32- + H2O;⑤完整配平，原子個數守恒，CH3OH-6e- +8OH- ?→CO32- +6H2O。⑶氧氣參與正極反應，根據書寫技巧寫出電極反應式：①寫出主要的反應物和生成物， O2 ?→ ?OH-;②標出變價元素的化合價，算出得失電子的數目，O2 +4e- ?→OH-;③元素守恒，后面有H元素，前面必然有H元素，堿性溶液，+ 1價H以H2O形式出現，O2 +4e- + H2O →OH-;④平衡電荷，反應物帶四個單位負電荷，生成物也應該帶四個單位負電荷，O2 +4e- + H2O →4OH-;⑤完整配平，原子個數守恒，O2 +4e- + 2H2O →4OH-。由氧氣和電子的關系計算得標況下，通入11.2L（0.5mol）O2 完全反應，轉移電子2mol。⑷在得失電子相同的情況下，正負極反應加起來，即得到總的電池反應，2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O。電池為可充電電池，正反應為放電反應，則逆反應為充電反應，充電時，電解質溶液的pH逐漸增大。

答案：⑴負 ? ⑵CH3OH-6e- +8OH- ?→CO32- +6H2O

⑶2mol ? ?⑷ 增大

2.一種直接氨燃料電池，以KOH溶液為電解質溶液，下列說法錯誤的是（ ? ）

A.通氨氣的一極為電池的正極

B.電池總反應為4NH3+3O2=2N2+6H2O

C.電池工作時，OH-向正極移動

D.氨直接燃燒過程的能量轉化方式與該電池不同

解析：A.燃料電池正極通氧氣，負極通可燃性物質，通氨氣的一極應該為電池的負極。B.根據技巧法書寫出電池正負極反應，負極電極反應式：①NH3 →N2， ② 2NH3-6e- →N2，③2NH3-6e- →N2+ H2O，④2NH3-6e-+OH- →N2+ H2O，⑤2NH3-6e-+6OH- →N2+ H2O，⑥2NH3-6e-+6OH- →N2+ 6H2O，正極反應式：O2 +4e- +2H2O →4OH-，在得失電子相同的情況下，正負極反應加起來，即得到總的電池反應，4NH3+3O2=2N2+6H2O。C.電池工作時，陰離子向負極移動。D.燃燒電池將化學能直接轉化為電能，所以能量轉化方式與燃燒的能量轉化方式不同。

答案：B。