高中化學燃料電池題解題方法分析

摘 要：燃料電池題相關的重要知識點是“氧化還原反應”，同時，在實際解題中，燃料電池類型的不同，也會對具體解題思路產生較為直接的影響.由此也就能夠看出，高中化學燃料電池題的求解，存在著較為靈活、多變的特點.

基于此，文章結合燃料電池的實際例題，對其具體解題方法及思路做出全面分析與探討，以期為學生燃料電池題解題效率的提升提供支持與助力.

關鍵詞：高考化學；燃料電池題；解題方法

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）34-0130-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡介：陸惠（1979.10—），女，江蘇省南通人，研究生，中學一級教師，從事化學教學研究.

在高中化學題目的設置中，燃料電池題也有多種類型的劃分，如烴燃料電池、氫燃料電池等[1].不同類型燃料電池，會使用不同的燃料及電解質，但是基本原理幾乎相同.基于此，本文將針對高中化學燃料電池題的創(chuàng)新解題思路，進行深入剖析與研究.

1 界定電池類型，明確反應原理

燃料電池本身屬于不經過燃燒，經過電化學反應，直接轉變?yōu)殡娔艿摹把b置”，與其他電池的“氧化還原反應”原理一致，均屬自發(fā)“化學反應”，廢物排放量也較低.在燃料電池反應原理分析中，需明確不同類型燃料電池的反應原理各不相同，可作出如下劃分.

1.1 甲醇燃料電池

甲醇燃料電池在電解質不同情況下，整體反應會發(fā)生不同變化.具體而言：（1）酸性電解質：電解液為H2SO4溶液、兩極為鉑的情況下，其正極反應式為：

3O2+12e-+12H+6H2O；

負極反應式為：

2CH3OH-12e-+2H2O12H++2CO2；

總反應方程式為：

2CH3OH+3O22CO2+4H2O；

（2）堿性電解質：電解液為KOH溶液、兩極為鉑的情況下，其正極反應式為：

3O2+12e-+6H2O12OH-；

負極反應式為：

2CH3OH-12e-+16OH-2CO2-3+12H2O；

總反應方程式為：

2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O.

1.2 氫氧燃料電池

氫氧燃料電池基本以石墨、惰性金屬“如鉑”作為電極材料，其中正負極會分別通入“O2”“H2”，總反應方程式為：2H2+O22H2O，而其正負極反應，也會因電解質的不同，而產生不同情況，具體可分為以下3種：（1）電解質為H2SO4溶液，其正極反應式為：O2+4H++4e-2H2O；負極反應式為：2H2-4e-4H+.（2）電解質為KOH溶液，其正極反應式為：O2+2H2O+4e-4OH-；負極反應式為：2H2-4e-+4OH-2H2O.（3）電解質為NaCl溶液，其正極反應式為：O2+2H2O+4e-4OH-；負極反應式為：2H2-4e-4H+[2].

需要明確的是：（1）氫氧燃料電池電解質為酸性溶液的情況下，無論是反應物、生成物中，都沒有OH-；（2）氫氧燃料電池電解質為堿性溶液的情況下，無論是反應物、生成物中，都沒有H+；（3）氫氧燃料電池電解質為中性溶液的情況下，反應物中沒有H+、OH-；（4）氫氧燃料電池電解質為水溶液的情況下，不能出現O2-.

1.3 甲烷燃料電池

甲烷燃料電池在不同電解質溶液中的反應也各不相同，（1）電解質為酸性溶液（H2SO4溶液），而兩極為鉑的情況下，其正極反應式為：2O2+8e-+8H+4H2O；負極反應式為：CH4-8e-+2H2O8H++CO；總反應方程式為：CH4+2O2CO2+2H2O.（2）電解質為堿性溶液（KOH溶液），而兩極為鉑的情況下，其正極反應式為：2O2+2H2O+8e-8OH-；負極反應式為：CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O；總反應方程式為：CH4+2KOH+2O2K2CO3+3H2O.2 明晰反應方程，解答典型例題

雖然可燃性物質與氧氣在不同的燃料電池中電極反應不同，但其總反應方程式一般都是可燃物在氧氣中的燃燒反應方程式[3].因為涉及電解質溶液，所以燃燒產物還可能要與電解質溶液反應，然后再寫出燃燒產物與電解質溶液反應的方程式并相加，從而得到總反應方程式.2.1 燃料電池正、負極電極反應式

2.1.1 燃料電池正極電極反應式

因為燃料電池正極都是O2得到電子而產生還原反應，因此，其基礎反應式均為O2+4e-2O2-，同時，需要注意的是，因為電解質狀態(tài)、電解質溶液酸堿度等多方面的不同，燃料電池正極電極反應也各不相同.具體而言，可以劃分為以下4種情況：（1）在電解質為酸性環(huán)境，正極電極反應式是：O2+4e-+4H+2H2O；（2）在電解質為中性環(huán)境、堿性環(huán)境，正極電極反應式是：O2+4e-+2H2O4OH-；（3）在電解質為熔融碳酸鹽，正極電極反應式是：O2+2CO2+4e-2CO2-3；（4）在電解質為固體，在高溫下其允許O2-在其間自由通過，但是O2-并不會和其他離子產生結合，這時正極電極反應式是：O2+4e-2O2-[4].

2.1.2 燃料電池負極電極反應式

因為原電池是將氧化還原反應中的“氧化反應”和“還原反應”，分開在兩極（負、正兩極）上發(fā)生，故燃料電池負極的電極反應式＝燃料電池總反應式-燃料電池正極的電極反應式.在利用此法寫出燃料電池負極的電極反應式時，需注意以下兩點：（1）注意消去總反應和正極反應中的O2；（2）注意兩極反應式和總反應式電子轉移相同.

2.2 典型例題剖析

例1 如圖1所示，是一種熔融碳酸鹽燃料電池原理，下列關于該電池說法正確的選項是（" ）.

A.電池在工作過程中，CO2-3向電極B移動

B.反應CH4+H2O催化劑3H2+CO，每消耗1 mol CH4會轉移12 mol電子

C.電極B上發(fā)生的電極反應為：O2+2CO2+4e-2CO2-3

D.電極A上H2參與的電極反應為：H2+2OH--2e-2H2O

解析 A選項中，原電池工作過程中，陰離子會移向負極，但是電極B本身為正極，所以A選項判斷錯誤；B選項中，C-4H4→C+2O，所以這一反應中，每消耗1 mol CH4會轉移12 mol電子的判斷錯誤；C選項中，電極B為正極，因此其上發(fā)生的電極反應為：O2+2CO2+4e-2CO2-3正確；D選項中，因電池本身的傳導介質是熔融的碳酸鹽，因此電極A上H2參與的電極反應為：H2-2e-+CO2-3CO2+H2O，所以D選項不正確.綜上解析，本題正確答案為C.

3 界定題目詳情，做好題目詳解

在高中化學題目的設置中，燃料電池題的考查，一直是各省高考的重點內容，在具體解答過程中，需要對題目詳情做出明確界定，以便做好題目詳解.

例2 如圖2所示，其所展現的是某一生物燃料電池作用原理，請根據圖2回答如下問題：（1）寫出電池負極反應式；（2）在該電池放電過程中，其陽離子（H+）應從（" ）極向（" ）極移動；（3）燃料電池能量轉化主要形式；電流方向為；（4）該生物燃料電池如果在反應過程中消耗1mol氧氣，那么在標準情況下其CO2體積是；（5）生物燃料電池不能夠于高溫下工作的原因.

解析 （1）對于該生物燃料電池而言，其負極主要是葡萄糖發(fā)生反應，在負極失電子被氧化，所以可寫出該電池負極反應式為：C6H12O6-24e-+6H2O6CO2+24H+；（2）在原電池作業(yè)過程中，電解質中的陽離子，基本向正極移動，而陰離子則與之相反，向負極移動，這樣才能夠構成一個閉合回路，因此可得出陽離子（H+）應從負極向正極移動；（3）原電池本身是把化學能轉化為電能的裝置，在原電池工作時，電流一般從正極經過外電路，流向負極，a端氧氣會在發(fā)生反應后變成水，這時的電極反應式為：O2+4e-+4H+2H2O，其中a代表正極，因此可得出燃料電池能量轉化主要形式是從化學能轉變?yōu)殡娔?，電流方向為從a到b；（4）正極反應的方程式是：O2+4e-+4H+2H2O，那么該生物燃料電池如果在反應過程中，消耗1 mol氧氣，就會轉移4 mol e-，基于C6H12O6-24e-+6H2O6CO2+24H+能夠得出，4 mol e-的轉移，能夠生成1 mol CO2，這就說明，可生成標準情況下的CO2是22.4 L；（5）如圖2所示，燃料電池是微生物燃料電池，因此其不能夠在高溫條件下工作，主要是因為高溫條件下，微生物的蛋白質會產生凝固變性[5].

4 結束語

綜上所述，解決高中化學燃料電池題的關鍵，在于對電池工作原理的有效理解.燃料電池題在高中化學中屬于高頻考點之一，文章通過對燃料電池總反應式、兩極反應式的書寫判斷、典型例題的分析，深入探討了如何通過創(chuàng)新解題方法、舉措的應用，提升燃料電池題的解題效率與質量.其中包含的創(chuàng)新解題方法有“界定電池類型，明確反應原理”“明晰反應方程，解答典型例題”“界定題目詳情，做好題目詳解”，將上述創(chuàng)新解題方式，應用至高考化學燃料電池題解答中，對學生解題速度、質量、水平提升均有較為明顯的促進作用，進而學生的數學核心素養(yǎng)也得到了顯著提升.

參考文獻：

［1］龔亭亭.高中化學試題對燃料電池的考查例析[J].高中數理化，2021（4）：59.

[2] 王志庚.由2019年高考全國Ⅰ卷電化學試題說起：兼談Minteer教授的生物燃料電池設計思路[J].中學化學教學參考，2019（21）：69-70.

[3] 黃穎.解答新型電池五類題目的“必殺技”[J].中學生數理化（高考理化），2024（6）：6-10.

[4] 李春燕，李家歡.化學高考熱點題型：電化學專題突破[J].廣東教育（高中版），2019（7）：119-121.

[5] 郭慧芳.2022年高考化學電池考點盤點[J].高中數理化，2022（24）：55-56.

［責任編輯：季春陽］