原電池知識(shí)是高中化學(xué)中重要的基本概念之一，也是近幾年高考的熱點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，對(duì)于燃料電池的工作原理及電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)，學(xué)生往往感到比較困惑。那么，如何理解燃料電池的工作原理，掌握電極反應(yīng)式正確的書(shū)寫(xiě)方法，下面筆者就結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借助例題來(lái)談?wù)勥@類試題的解答方法。

一、有關(guān)燃料電池基本知識(shí)

1.燃料電池的電極規(guī)定

燃料電池的電極是由通入氣體的成分來(lái)決定。通入可燃物的一極為負(fù)極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng);通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)。

2.燃料電池的電質(zhì)

不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系(酸性、中性或堿性)電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體(氧化物或質(zhì)子交換膜)電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應(yīng)式有不同的表示方法。因此，在書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式時(shí)要特別注意電解質(zhì)的種類。

3.燃料電池的工作原理

以氫氧燃料電池為例，其工作原理是:在負(fù)極，氫氣失去電子發(fā)生氧化反應(yīng);在正極，氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。

二、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法

1.若已知原電池的總反應(yīng)式

書(shū)寫(xiě)規(guī)律:抓正極，減一減。

“抓正極”:因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一般是氧氣，正極都是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以可先寫(xiě)出正極反應(yīng)式。正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是:O2+4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。

“減一減”:在電子守恒的基礎(chǔ)上，用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式，即得到負(fù)極反應(yīng)式。

下面以CH4、O2燃料電池以碳棒做電極材料，在幾種不同環(huán)境下的電極反應(yīng)式寫(xiě)法為例，具體加以說(shuō)明。

總反應(yīng)式:CH4+2O2=CO2+2H2O

(1)電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液(如稀硫酸)

在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨(dú)存在，O2-離子結(jié)合H+離子生成H2O，即:2O2+8e-=4O2-，4O2-+8H+=4H2O，這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中:

正極反應(yīng)式為:2O2+8H++8e-=4H2O

“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+

(2)電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液(如氫氧化鈉溶液)

由于堿性溶液中OH-參加反應(yīng)，CO2轉(zhuǎn)化為CO32-，總反應(yīng)式:CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。在堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，即:2O2+8e-=4O2-，4O2-+4H2O=8OH-，故在堿性電解質(zhì)溶液中:

正極反應(yīng)式為:2O2+4H2O+8e-=8OH-

“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

(3) 電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽

在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，即:O2+4e-=2O2-，2O2-+2CO2=2CO32-，則其正極反應(yīng)式為:O2+2CO2+4e-=2CO32-

“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式:CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O

(4) 電解質(zhì)為熔融氧化物

該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過(guò)，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為:2O2+8e-=4O2-

減一減得負(fù)極反應(yīng):CH4+4O2-8e-=CO2+2H2O

綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O2+4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)形式有所不同。因此在書(shū)寫(xiě)正極反應(yīng)式時(shí)，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。

2.若不知原電池的總反應(yīng)式

書(shū)寫(xiě)規(guī)律:定、算、補(bǔ)、配。

“定”:先確定原電池的正負(fù)極，然后確定正負(fù)極參與反應(yīng)的物質(zhì)及對(duì)應(yīng)產(chǎn)物;

“算”:由化合價(jià)升降數(shù)計(jì)算電子轉(zhuǎn)移數(shù);

“補(bǔ)”:由電荷守恒，結(jié)合電解質(zhì)環(huán)境，判斷是否補(bǔ)離子、補(bǔ)何種離子;

“配”:由質(zhì)量守恒配平電極反應(yīng)方程式。

下面以乙醇—空氣燃料電池在堿性環(huán)境下的電極反應(yīng)式寫(xiě)法為例具體加以說(shuō)明。

(1)據(jù)化合價(jià)升、降分別列出含變價(jià)元素的物質(zhì)

負(fù)極:C2H5OH—2CO32-

正極:O2—OH-

(2) 1molC2H5OH失去12mol電子，1molO2得到4mol電子，所以得到:

負(fù)極:C2H5OH-12e-—2CO32-

正極:O2+4e-—OH-

(3) 若是酸性溶液，通常用H+或H2O來(lái)平衡電荷;若是堿性溶液，通常用OH-或H2O來(lái)平衡電荷。這里是堿性電池，應(yīng)以O(shè)H-或H2O來(lái)平衡電荷數(shù)。

負(fù)極:C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正極:O2+4e-+2H2O=4OH-

(4) 據(jù)質(zhì)量守恒，配平方程式中各原子數(shù)，并調(diào)整系數(shù)使正負(fù)兩極得失電子數(shù)相等。

負(fù)極:C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正極:3O2+12e-+6H2O=12OH-

所以，該燃料電池的總反應(yīng)為:C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2O

當(dāng)然，如果題目給定的是圖示裝置，應(yīng)先分析正負(fù)極，再根據(jù)書(shū)寫(xiě)規(guī)律寫(xiě)電極反應(yīng)式。

三、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)應(yīng)用舉例

1. 電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液

例1:氫氧燃料電池是一種高效低污染的新型電池，其反應(yīng)式為:2H2+O2=2H2O，主要用于航空領(lǐng)域。它的電極材料一般具有很強(qiáng)的催化活性，如鉑電極、活性炭電極等。電解質(zhì)溶液可用40%的NaOH溶液或稀硫酸。請(qǐng)寫(xiě)出電解質(zhì)溶液用稀硫酸時(shí)的電極反應(yīng)式。

解析:按上述燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法1(1)可知，酸性條件下，O2-離子結(jié)合H+離子生成H2O，故正極反應(yīng)式為:O2+4H++4e-=2H2O;由總反應(yīng)“減一減”得負(fù)極反應(yīng)式:

2H2-4e-=4H+。

2.電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液

例2(09廣東):可用于電動(dòng)汽車的鋁-空氣燃料電池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液，鋁合金為負(fù)極，空氣電極為正極。下列說(shuō)法正確的是()

A.以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時(shí)，正極反應(yīng)都為:O2+2H2O+4e-=4OH-

B.以NaOH溶液為電解液時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓

C.以NaOH溶液為電解液時(shí)，電池在工作過(guò)程中電解液的PH保持不變

D.電池工作時(shí)，電子通過(guò)外電路從正極流向負(fù)極

解析:本題考查原電池的構(gòu)成、電極反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)及電解質(zhì)溶液的影響，意在考查考生的遷移能力。按上述燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法1(2)可知，O2在以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時(shí)形成OH-，故A正確;以NaOH溶液為電解液時(shí)，Al形成AlO2-，B錯(cuò);以NaOH溶液為電解液時(shí)，根據(jù)書(shū)寫(xiě)方法2可以寫(xiě)出總反應(yīng)式為:4Al+3O2+4NaOH=4NaAlO2+2H2O，C錯(cuò);原電池工作時(shí)外電路電子由負(fù)極流向正極，D錯(cuò)。故符合題意的是A。

3.電解質(zhì)為熔融碳酸鹽

例3:某燃料電池以熔融的K2CO3(其中不含O2-和HCO3-)為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問(wèn)題:

⑴寫(xiě)出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式;

⑵寫(xiě)出該燃料電池的電極反應(yīng)式。

解析:由于電解質(zhì)為熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，所以生成的CO2不會(huì)與CO32-反應(yīng)生成HCO3-，故該燃料電池的總反應(yīng)式為:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法1(3)可知，在熔融碳酸鹽環(huán)境中，其正極反應(yīng)式為:O2+2CO2+4e-=2CO32-，“減一減”得負(fù)極反應(yīng)為:2C4H10+26CO32--52e-=34CO2+10H2O。

4.電解質(zhì)為固體氧化物

例4(05廣東):一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體;電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對(duì)該燃料電池說(shuō)法正確的是 ()

A.在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極

B.電池的總反應(yīng)是:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為:O2+4e-=2O2-

D.通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為:C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O

解析:本題以丁烷燃料電池為載體綜合考查了原電池原理涉及的有關(guān)“電子流向、電極反應(yīng)式、總反應(yīng)式”等內(nèi)容，根據(jù)電性關(guān)系，O2-由正極移向負(fù)極，A錯(cuò)。由丁烷的燃燒反應(yīng)及電解質(zhì)的特性知該電池的總反應(yīng)式為:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O，B正確。按上述燃料電池“抓正極”的書(shū)寫(xiě)方法1(4)可知，在熔融狀態(tài)下允許O2-在其間通過(guò)，故其正極反應(yīng)式為O2+4e-=2O2-，C正確。通入丁烷的一極應(yīng)為負(fù)極，D錯(cuò)。故符合題意的是B、C。