淺析一種書寫燃料電池負極反應式的新方法

楊金才

摘要：提出了一種配平燃料電池負極反應式的新方法——零價法。即將燃料電池的燃料物質看成零價，根據負極發生失電子的氧化反應，計算出單位燃料參與負極反應時所失去的凈電子數，確定燃料物質與電子數之比，再依據守恒原理快速、準確地書寫燃料電池的負極反應式。

關鍵詞：零價法；燃料電池；負極反應式；配平

文章編號：1005–6629（2016）4–0087–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

燃料電池（Fuel Cell）是21世紀最有希望的新一代綠色能源動力系統，有助于解決能源危機和環境污染等問題。在中學教學中，燃料電池是原電池原理的具體應用，要求學生掌握其工作原理及各種電解質環境下電極反應式的書寫。近年來，燃料電池原理已成為高考的熱點內容，電池電極反應式的書寫尤為重要，其中負極反應式的書寫是最困難的。目前書寫燃料電池負極反應式采用的主要是“相減法”[1]。即在電子守恒的基礎上，用總反應式減去正極反應式得到負極反應式?！跋鄿p法”書寫燃料電池負極反應式比較繁雜且耗時較長，容易出現錯寫、漏寫等問題。針對目前書寫方法的缺點，本文借鑒配平特殊氧化還原反應的一種方法，將“零價法”的思想引入燃料電池電極反應式的書寫當中，用來書寫燃料電池負極反應式?！傲銉r法”與“相減法”相比，省去比較繁瑣的書寫總反應式和正極反應式的過程，具有簡單、快速、準確等特點，使學生更易接受，也更易掌握。

1 零價法簡介

通過對特殊類型的氧化還原反應方程式配平的研究[2，3]，從而確立一種配平特殊氧化還原反應的方法——零價法。其主要內容是“在化合價升降法的基礎上對特殊類型的還原劑作特殊處理，把反應前還原劑中起還原作用的元素看成零價，然后在零價的基礎上，算出還原劑各元素化合價升高數值的代數和。再根據守恒原理配平該氧化還原反應”。該法配平特殊類型的氧化還原反應較為簡單、高效。可適用于化合價難以確定、有單質參加、帶字母以及有機物參與的氧化還原反應方程式的配平[4]。

2 零價法書寫燃料電池負極反應式的理論基礎

碳元素位于元素周期表中第二周期第ⅣA族，原子最外層有4個電子，易形成共價鍵，其化合價在無機物中為+2或+4價。在碳的同素異形體中，碳原子之間以共價鍵結合，碳元素的化合價為零價。有機物分子中碳的化合價與其單質相似[5]，故可以不考慮其化合價。燃料電池中，燃料在負極發生失電子的氧化反應，即電池反應中燃料作還原劑。如果將還原劑中各元素記為“零價”，而氧化產物中各元素的化合價均已確定，就可以計算出單位燃料被氧化所失去的凈電子數，從而書寫出負極反應式。因此，零價法在理論上可以書寫燃料電池的負極反應式。

3 零價法書寫燃料電池負極反應式的具體步驟

燃料電池中，由于知道燃料在負極發生失電子的氧化反應，假定1mol燃料參與反應，先確定失去的凈電子總數，再由電池所處的化學環境及電荷守恒、質量守恒，直接寫出電池負極反應式。其書寫規律因為燃料物質種類的不同而有細微差別。下面根據幾種不同類型的燃料進一步加以說明：

3.1 烴類有機物燃料電池

3.2 含氧有機物燃料電池

此類有機物中除含碳、氫元素外，還含有氧元素。將各元素的化合價記為“0”價，分析電極產物可知起還原作用的元素也只有碳元素和氫元素。氧元素反應后化合價降低，應得到電子，因此在計算燃料失去的“凈電子”總數時，應扣除其中氧本身得到的電子數。如燃料為CH3OH，1mol CH3OH參與電極反應時，把C、H、O均記為“0價”，其中C和H的化合價升高，失去的電子總數為8mol；而O的化合價降低，得到2mol電子。這樣，燃料所失去的凈電子數應是6mol，而不是8mol或其他數值。當電解質為酸性時，負極反應式為：

CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。

下面以實例進行討論：

例1 （江蘇高考節選）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結構示意圖如圖1所示。下列關于該電池的敘述正確的是（ ）

B.電池的負極反應為：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+（其他選項略）

解：用零價法分析可得1mol葡萄糖參與反應失去的凈電子數為（6×4+12×1）-（6×2）=24mol；根據圖可知電解質為酸性環境，由守恒原理確定電極產物CO2、H+的化學計量系數分別為6、24。則寫出完整的電極反應式：

C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+。

故B選項正確。

3.3 以肼類為燃料代表的燃料電池

例2 （節選）肼（N2H4）又稱聯氨，是一種可燃性的液體，可用作火箭燃料。已知在101kPa時，32.0g N2H4在氧氣中完全燃燒生成氮氣，放出熱量624kJ（25℃時）。

問題（2）：肼-空氣燃料電池是一種堿性燃料電池，電解質溶液是20%～30%的KOH溶液。肼-空氣燃料電池放電時，負極的電極反應式是

。

解：由零價法原理，把N2H4中N和H元素記成“0”價，由題意電池產物為N2，其中氮元素的化合價為零價，化合價沒有改變；而氫元素的化合價從“0”價升高到+1價。則1mol N2H4參加反應失去的凈電子數為4mol，再由電解質為堿性環境和電荷守恒、質量守恒，不難寫出負極反應式為：

N2H4-4e-+4OH-=N2↑+4H2O。

運用零價法書寫燃料電池負極反應式，關鍵是找準燃料分子中起還原作用的元素，求得單位燃料被氧化后失去的“凈電子”總數，確定燃料與電子的化學計量系數之比；其次考慮電解質環境，運用電荷守恒確定電極反應式中離子的系數；最后利用質量守恒寫出缺少的物質并觀察配平電極反應式即可。表1給出了常見燃料電池的負極反應式作為學習者參考使用。

讀者可根據表中信息自行寫出幾種燃料在其他電解質環境下的負極反應式，以便進一步理解并掌握“零價法”書寫負極反應式的具體步驟。

參考文獻：

[1]劉三先.淺析一種書寫燃料電池電極反應式的新方法[J].中學教學參考，2014，（11）：80～81.

[2]周方盛.中學無機物氧化還原反應的配平[J].數理化解題研究（高中版），2010，（1）：13～14.

[3]姚斌.“零價法”配平特殊類型的氧化還原反應方程式[J].高中數理化，2003，（3）：43～44.

[4]趙菁，華祺年等.巧用“零價配平法”配平氧化還原方程式[J].化學教學，2012，（9）：68.

[5]李志學.關于碳元素的多種化合價的研究[J].化學教育，1996，（11）：33.