例析高考化學燃料電池電極反應式的書寫

劉茜茜+楊金才+萬嬌嬌

摘要：以高考化學燃料電池試題為研究對象，根據電解質類型的不同，總結歸納出五種不同電解質環境下正極反應式的書寫；在電負性理論的基礎上提出一種直接書寫燃料電池負極反應式的新方法——“相對化合價法”，并結合例題介紹了此法在書寫燃料電池負極反應式時的具體運用。

關鍵詞：燃料電池；電極反應式書寫；相對化合價法；中學化學教學

文章編號：1005–6629（2016）12–0077–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

燃料電池（Fuel Cell）是一種將化學能轉化為電能的裝置，燃料和氧化劑分別從負極和正極的電極微孔進入電池體系，受到電極材料的催化分別發生氧化反應和還原反應，同時產生電流。其基本構造可表示為[1]：（-）燃料‖電解質‖氧化劑（+）。

由于燃料電池具有能量轉換效率高、機動靈活、燃料多樣及環境友好等優點越發受到重視。隨著新型燃料電池的日益廣泛應用，對燃料電池的考查已成為高考的熱點內容，要求學生了解燃料電池的基本工作原理，能正確書寫出常見電解質環境中的電極反應式。關于電極反應式的書寫的文獻報道在教育界不勝枚舉，但很多文獻介紹的書寫方法仍然是間接的相減法，近年來也發展了直接的書寫方法，如零價法[2]、四步法[3]等，但文獻[2]僅介紹了負極反應式的書寫，覆蓋面相對狹窄；而文獻[3]方法過于繁雜，要求學生必須對氧化還原反應的相關知識理解透徹才能夠較好地運用，對學生來說掌握較為困難。本文以燃料電池電解質類型的分類作為參考，總結不同燃料電池正極反應式的書寫，建立其書寫模式，系統闡述了相對化合價法書寫燃料電池負極反應式的具體運用，為教學實踐提供參考，對學生正確、快速解題具有指導意義。

1 燃料電池總反應式的書寫

3.1 相對化合價法書寫負極反應式的理論基礎

燃料分子中不同原子之間以共價鍵方式連接，成鍵原子對鍵合電子吸引力的大小可用電負性來表示。電負性較大的成鍵原子對鍵合電子的吸引力較大，使鍵合電子偏向于該原子，導致其帶部分負電荷，元素化合價表現為負值；而電負性相對較小的原子將會帶上部分正電荷，元素化合價表現為正值。如有機物CH4中，C的電負性為2.5，H的電負性為2.1，鍵合電子偏向于C，導致C元素的化合價顯負價，而H元素則顯正價。又如有機物CH3CH2OH中，O的電負性最大，H的電負性最小，則O元素化合價表現為負值，H元素為正值，而C元素的化合價由H和O的具體數值確定。

3.2 相對化合價法書寫負極反應式的具體步驟

燃料電池中，燃料在負極發生失電子的氧化反應，先判斷燃料物質中各元素電負性的相對大小，確定反應前后各元素的化合價，進而確定單位燃料物質參與反應失去的電子總數，即確定了燃料分子與電子數之比；再由電池所處的化學環境及電荷守恒、質量守恒，直接書寫電池負極反應式。下面以具體實例加以說明：

例5 （2009·江蘇·T12·節選）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結構示意圖如圖5所示。下列關于該電池的敘述正確的是（ ）

運用相對化合價法書寫燃料電池負極反應式，關鍵是依據電負性的相對大小確定燃料物質中各元素的相對化合價。一般來說，如果燃料分子中只含C、H、O三種元素，則以O元素為-2價，H元素為+1價來確定C元素的相對化合價，計算出單位燃料被氧化后失去的電子總數，確定化學計量系數之比；其次考慮電解質環境，結合守恒原理直接書寫負極反應式。

參考文獻：

[1]傅獻彩，沈文霞，姚天揚，侯文華編.物理化學（下）（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2005：141.

[2]楊金才.淺析一種書寫燃料電池負極反應式的新方法[J].化學教學，2016，（4）：87～89.

[3]郭萌.四步法書寫燃料電池電極反應式[J].中學化學，2016，（7）：22～23.

[4][5]吳輝煌主編.電化學[M].北京：化學工業出版社，2004：268.

[6]錢桂香，趙學紅.加減消元思想在化學學習中的運用[J].中學生數理化，2016，（1）：65.