燃料電池電極反應式的書寫技巧

虞玲

初學原電池，大多數同學感到電極反應很難寫，原電池電極反應與一般的氧化還原反應的書寫是有差異的，有它自身的書寫方法和技巧，我們只要掌握規律，強化練習還是可以掌握要領的。下面筆者就結合自身的教學經驗總結一下燃料電池電極反應式的書寫技巧。

電極反應式書寫總則：

負極：失電子，發生氧化反應（一般是負極本身失電子）

正極：得電子，發生還原反應（一般是溶液中陽離子在正極上得電子，但也可能是O2在正極上得電子（吸氧腐蝕），或正極本身得電子）

總反應式（電池反應）=正極反應式+負極反應式

如果知道電池總反應式：氧化劑+還原劑+（某介質）=還原產物+氧化產物+（另一介質），根據總反應找出氧化劑和氧化產物、還原劑和還原產物，電極反應的總模式是：

負極：還原劑-ne—=氧化產物

正極：氧化劑+ne—=還原產物

其他參與反應的介質分子或離子，根據配平需要，添加在半反應的反應物或生成物中。

然而很多時候我們并不知道電池總反應式，那我們就需要根據不同的情況來進行分析。

今天在這我就特意講一下燃料電池的書寫技巧。

燃料電池的優點較多，也是近年高考的熱點內容。燃料電池是原電池中一種比較特殊的電池，它與原電池形成條件有一點相悖，就是兩極不一定是兩根活動性不同的電極，也可以是兩根相同的電極。解決此類問題必須抓住一點：燃料電池反應實際上等同于燃料的燃燒反應，但要特別注意介質對產物的影響。

（1）氫氧燃料電池

氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑（Pt）或石墨做電極材料，負極通入H2，正極通入O2，總反應就是氫氣的燃燒反應：2H2+O2=2H2O。寫電極反應式時特別要注意電解質，有以下三種情況：

a、堿性電解質（電解質是KOH溶液）

負極：H2-2e-+2OH—=2H2O（氧化反應）

正極：O2+H2O+4e-=OH—（還原反應）

總反應方程式2H2+O2=2H2O

b、酸性電解質（電解質是H2SO4溶液）

負極：H2-2e-=2H+（氧化反應）

正極：O2+4H++4e-=2H2O（還原反應）

總反應方程式2H2+O2=2H2O

c、中性電解質（電解質是NaCl溶液）

負極：H2-2e-=2H+（氧化反應）

正極：O2+H2O+4e-=4OH—

總反應方程式2H2+O2=2H2O

[注意]電解質溶液中也要考慮離子共存的問題：

H+不能存在于堿性溶液反應物、生成物中；

2、OH-不能存在于酸性溶液反應物、生成物中；

3、水溶液中不能出現O2-，O2-會在不同的環境當中，結合不同的粒子，一是自己能夠穩定，酸性環境中結合H+后成為水；堿性環境或者中性環境中，O2-會結合H2O形成OH—。

a、有機物燃料電池

有機物燃料電池的電解質的環境分酸性和堿性。比如甲醇燃料電池，它的電極反應如下：

b、酸性電解質（鉑為兩極、電解液H2SO4溶液）

正極：3O2+12e-+12H+=6H2O（還原反應）

負極：2CH3OH-12e-+2H2O=12H++2CO2（氧化反應）

總反應式2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O（氧化反應）

c、堿性電解質（鉑為兩極、電解液KOH溶液）

正極：3O2+12e-+6H2O=12OH-（還原反應）

負極：2CH3OH-12e-+16OH—=2CO32-+12H2O（氧化反應）

總反應方程式2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

雖然環境有酸性和堿性，但是實際用下來，大多數燃料電池的環境為堿性。下面我就重點對堿性環境下的有機物燃料電池做一下總結。

對于以任意一種有機物為燃料的堿性燃料電池來說，其正極反應式全部是以“O2+4e-+2H2O=4OH-”反應式為基礎，然后根據耗氧量的不同，或者說電子轉移數目的不同，其正極反應式是這個基礎式子的n倍。電極反應式書寫的常規方法是：先寫出燃料燃燒的總反應方程式，及產物CO2與堿反應的方程式，然后用總反應式（電池反應）=正極反應式+負極反應式，算出負極反應式。但是，這種方法算起來很麻煩，我通常給學生采用的方法是：建立模板直接書寫法。模板具體如下：

有機物—（ ）e-+（ ）OH- = （ ）CO32- + （ ）H2O

說明：（1）此模板中有機物可以為任意含C、H、O的有

機物；

（2）電子前面的系數來源于有機物電子轉移總數；

（3） CO32-的系數就是有機物中碳原子的總數；

（4） OH-的系數等于碳原子總數的2倍與轉移電子總數

之和；

（5） H2O的系數遵守質量守恒定律。

例如：丙烷燃料電池（鉑為兩極、電解液KOH溶液）

先寫模板：C3H8—（ ）e- + （ ）OH- = （ ）CO32- + （ ）H2O

[分析]C3H8中碳元素的價態為8/3，與CO32-中碳元素的價態的差值為20/3，則反應中轉移的電子數目為20；CO32的系數為3；于是算出OH- 的系數為20+3*2=26；有質量守恒算出H2O的系數為17。從而得到丙烷燃料電池的負極反應式為：C3H8—20e-+ 26 OH—=CO32- + 17H2O；由O2+4e-+ 2H2O= 4OH- 對比電子轉移總數，得到正極反應式為5O2+20e-+10H2O=20OH—；從而可以得到總反應式C3H8+5O2+6KOH=3K2CO3+7H2O。

剛開始應用此方法時會覺得生疏，但是掌握了以后可以很快的應對各種有機燃料電池（堿性），也不用繞道來寫負極反應式了。酸性燃料電池也可以建立類似的模板，因為應用較少，筆者就不在此贅述，有興趣的同學可以自己研究一下。endprint