【摘 要】 電化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)的重要研究方向，中學(xué)高考必考內(nèi)容，書(shū)寫(xiě)燃料電池的電極反應(yīng)，對(duì)理解電化學(xué)原理，以及不同反應(yīng)介質(zhì)的離子運(yùn)動(dòng)方向和電極反應(yīng)式。

【關(guān) 鍵 詞】 電化學(xué)；酸溶液；堿溶液；熔融氧化物；熔融鹽；鹽橋

電化學(xué)是高考必考考點(diǎn)之一，其中理解原電池關(guān)鍵是尋找氧化還原反應(yīng)，難點(diǎn)是處理信息中不同離子導(dǎo)電的電極反應(yīng)。

筆者以甲烷燃燒為例設(shè)計(jì)原電池，分析在常見(jiàn)電解質(zhì)溶液中電極反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)方法。甲烷燃燒的氧化反應(yīng)是CH4失去電子被氧化成+4價(jià)的碳和+1價(jià)的H；還原反應(yīng)是O2得到電子被還原為-2價(jià)的O。難點(diǎn)是在電解質(zhì)溶液中通過(guò)什么離子導(dǎo)電實(shí)現(xiàn)原電池（依據(jù)原電池原理，導(dǎo)電的陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)），關(guān)鍵是抓住溶液中導(dǎo)電的離子運(yùn)動(dòng)方向，使反應(yīng)物和生成物實(shí)現(xiàn)相應(yīng)離子運(yùn)動(dòng)方向，即生成物要寫(xiě)成電解質(zhì)溶液中對(duì)應(yīng)化合物的存在形式，原電池自然不難理解，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)也就方便了。

一、H+導(dǎo)電，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)H+由負(fù)極移向正極（酸溶液或質(zhì)子交換膜）

以硫酸為電解質(zhì)溶液設(shè)計(jì)的甲烷燃料電池。負(fù)極是CH4失去電子生成H+向正極運(yùn)動(dòng)，被氧化成+4價(jià)的在H+存在時(shí)生成CO2；

即首先可以書(shū)寫(xiě)出CH4-e-=CO2+H+；

再利用原子守恒在反應(yīng)物中添加酸溶液的H2O；

配平方程式即為負(fù)極電極反應(yīng)：2H2O+CH4-8e-=CO2+8H+

同樣正極是O2得到電子被還原為-2價(jià)的O，與運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)的H+結(jié)合寫(xiě)為H2O形式，即首先寫(xiě)出O2+e-+H+=H2O。

例1 （2012北京12）人工光合作用能夠借助太陽(yáng)能，用CO2和H2O制備化學(xué)原料。圖1是通過(guò)人工光合作用制備HCOOH的原理示意圖，下列說(shuō)法不正確的是（ ）

A. 該過(guò)程是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程

B. 催化劑a表面發(fā)生氧化反應(yīng)，有O2產(chǎn)生

C. 催化劑a附近酸性減弱，催化劑b附近酸性增強(qiáng)

D. 催化劑b表面的反應(yīng)是CO2+2H++2e-=HCOOH

二、OH-導(dǎo)電，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)OH-由正極移向負(fù)極（強(qiáng)堿溶液或OH-交換膜，熔融的KOH）

以燒堿為電解質(zhì)溶液設(shè)計(jì)的甲烷燃料電池，負(fù)極是CH4失去電子被氧化成+4價(jià)的碳與運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)的OH-結(jié)合寫(xiě)成CO32-，+1價(jià)的H與OH-寫(xiě)成H2O；

即首先可以書(shū)寫(xiě)出CH4-e-+OH-=CO32-+H2O；

最后配平方程式即為負(fù)極電極反應(yīng)10OH-+CH4-8e-=CO32-+7H2O

同樣正極是O2得到電子生成OH-向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，被還原為-2價(jià)的O生成OH-形式。即O2+e-=OH-，利用原子守恒在反應(yīng)物中添加堿溶液的H2O，配平方程式即為正極的電極反應(yīng)：2H2O+O2+4e-=4OH-

三、酸根離子導(dǎo)電，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)酸根陰離子由正極向負(fù)極移動(dòng)（熔融鹽導(dǎo)電或酸根離子交換膜）

以熔融碳酸鈉為電解質(zhì)設(shè)計(jì)甲烷燃料電池。關(guān)鍵是碳酸根離子由正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，負(fù)極是CH4失去電子被氧化+4價(jià)的碳，結(jié)合運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)的CO32-生成CO2形式存在，+1價(jià)的H自然結(jié)合CO32-成H2O和CO2。

即首先可以書(shū)寫(xiě)出CH4-e-+CO32-=CO2+H2O

配平方程式即為負(fù)極電極反應(yīng)：4CO32-+CH4-8e- =5CO2+2H2O

同樣正極是O2得到電子生成CO32-向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。即O2+e-=CO32-，說(shuō)明在正極反應(yīng)氣中要混有CO2，反應(yīng)物中添加CO2

配平方程式即為正極的電極反應(yīng)：2CO2+O2+4e-=2CO32-

例2 （2000全國(guó)）熔融鹽燃料電池可用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作電解質(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)?，空氣與CO2混合氣味正極助燃?xì)?，制得?500C下工作的燃料電池，完成負(fù)極反應(yīng)式_________________，正極反應(yīng)式__________________。

四、O2-導(dǎo)電，關(guān)鍵是O2-由正極移向負(fù)極

以熔融氧化鈉導(dǎo)電設(shè)計(jì)甲烷燃料電池。負(fù)極是CH4失去電子被氧化成+4價(jià)的碳結(jié)合運(yùn)動(dòng)來(lái)的O2-寫(xiě)成CO2形式，+1價(jià)的H結(jié)合O2-自然是H2O；

即可以書(shū)寫(xiě)出CH4-e-+O2-=CO2+H2O

配平方程式即為負(fù)極電極反應(yīng)：4O2-+CH4-8e-=CO2+2H2O

同樣正極是O2得到電子生成O2-向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，被還原為-2價(jià)的O2-

即得正極的電極反應(yīng)O2+4e-=2O2-

例3 （2013“浙江六校”第一次聯(lián)考）某汽車尾氣分析儀以燃料電池為工作原理測(cè)定CO的濃度，其裝置如圖2所示，該電池中電解質(zhì)為氧化釔-氧化鈉，其中O2-可以在固體介質(zhì)NASICON中自由移動(dòng)。下列說(shuō)法不正確的是（ ）

A. 工作時(shí)電極b作正極，O2-由電極b流向電極a

B. 負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CO+O2--2e-=CO2

C. 當(dāng)傳感器中通過(guò)2×10-3mol電子時(shí)，說(shuō)明通過(guò)的尾氣中含有2.24mL CO

D. 傳感器中通過(guò)的電流，越大，尾氣中CO的含量越高

五、鹽橋?qū)щ姡P(guān)鍵是鹽橋中的金屬陽(yáng)離子向正極運(yùn)動(dòng)，鹽橋中的酸根離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)）

如以硫酸為電解質(zhì)溶液為設(shè)計(jì)銅鋅原電池，為防止鋅與硫酸直接反應(yīng)，設(shè)計(jì)成如圖3，鹽橋中Cl-向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，負(fù)極電極反應(yīng)為：Zn-2e-=Zn2+，溶液中Zn2+濃度增大，正極電極反應(yīng)為：2H++2e-=H2，K+向正極運(yùn)動(dòng)，正極溶液由H2SO4轉(zhuǎn)化為K2SO4溶液。

在以金屬為電極參與反應(yīng)的原電池設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用鹽橋防止金屬電極與溶液直接發(fā)生化學(xué)腐蝕，同時(shí)實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)極之間的離子定向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，維持溶液電荷守恒。

【答案】

例1 選C 解析：負(fù)極H2O氧化生成H+，向正運(yùn)動(dòng)結(jié)合CO2生成乙酸。

例2 負(fù)極CO-2e-+CO32-=2CO2 正極反應(yīng)O2+4e-+2CO2=2CO32- 解析：關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)正極生成CO32-移動(dòng)向負(fù)極。

例3 選C 解析：關(guān)鍵是正極生成O2-向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，CO標(biāo)況下為2.24mL。

【參考文獻(xiàn)】

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