关于燃料电池电极方程式写法的探究

关于燃料电池电极方程式写法的探究

王长娥

王长娥

〔摘要〕燃料电池是原电池的一个重要考点，燃料电池正极反应式本质都是氧气被还原为O2-，一定环境中O2-借助于载体存在；而负极的书写要注意电荷守恒配平，书写电极方程式的关键是要注意注意电解质环境。

〔关键词〕燃料电池载体氧化还原反应电解质环境

原电池是将化学能转化为电能的装置，本质上是发生氧化还原反应，理论上任何氧化还原反应均能设计成原电池。将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应即为原电池的负极反应和正极反应，电化学的电极方程式是氧化还原反应这个考点的再现和延伸。燃料电池是原电池的一种，也有其特殊性，往往其总反应方程式与可燃物质在氧气中燃烧的方程式相同，所以燃料电池的正极反应为氧气的还原反应，负极为可燃物质的氧化反应，这是燃料电池的共性特点。在高考考点中燃料电池的书写居于很重要的位置，往往以拼盘的形式出现在一卷的选择题中，但多部分以填空的形式出现在二卷中。本人针对高考出现的题型，探讨燃料电池电极方程式的写法如下。

1拆分法

这种方法适应于给出了燃料电池的总反应方程式，然后书写电极方程式。总反应方程式为氧化还原反应，即为氧化反应和还原反应的合体，只要将其拆开氧化剂对应还原产物一组为正极，还原剂对应氧化产物一组为负极反应，这个方法适应于所有的原电池电极方程式，例如：总反应:C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O拆分为正极：602+24H++24e-=12H2O↓负极：C6H12O6＋6H2O-24e-＝6CO2＋24H＋在使用拆分法时要注意两电极方程式的计量系数与总反应的计量系数要相等，转移电子数目要相等。

2本质法

根据两电极的反应本质，直接书写电极方程式，但是电极方程式又综合考查了离子方程式的书写，书写的关键是转移的电子数目和电荷守恒配平，电荷守恒配平的关键又是根据电解质环境来确定配平离子的。一般的燃料电池都是可燃物与氧气组成的燃料电池，而氧气是发生还原反应，被还原为氧离子，如果在环境中不能独立存在，一定要借助于载体存在，关键在于载体的确定；负极的反应要注意负极氧化产物的后继反应，能否与电解质继续反应，最终写出总负极电极反应。现从不同的电解质环境来分析。

2.1电解质溶液是酸性环境。正极的氧气被还原为氧离子，在水溶液中不能独立存在，要借助于载体氢离子，溶液中的氢离子是由酸提供，由氢离子做载体；而负极的电荷守恒配平用氢离子来配平。例如：氢氧燃料电池，电解质环境为酸性，正极：O2+4H++4e-=2H2O负极：2H2-4e-=4H+

2.2电解质溶液为碱性或中性环境。正极的氧气被还原为氧离子，在水溶液中不能独立存在，要借助于载体氢离子，氢离子是由水来提供；而负极用氢氧根离子来电荷守恒配平。

例如甲醇燃料电池，电解质环境为碱性或中性

正极：3O2+6H2O+12e-=12OH-

负极：2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H2O

2.3电解质为传递氢离子的环境该类型题目与电解质呈酸性环境写法相同

2.4电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，O2-也不能单独存在，O2-可借助于载体CO2以CO32-形式存在；负极电荷守恒配平要用CO32-来配平。

例如甲烷燃料电池，电解质环境为熔融的Li2CO3和Na2CO3

正极：2O2＋4CO2+8e-=4CO32-

负极：CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O

2.5电解质为固体氧化物可传递O2-（如固体氧化锆—氧化钇）该固体电解质在高温下可允许O2-在其间通过，故其正极还原产物O2-不需要借助载体可独立存在；负极电荷守恒配平要用O2-来配平。例如丙烷燃料电池，电解质为固体氧化物氧化锆—氧化钇可传递O2-正极：5O2+20e-=10O2-。负极：C3H8+10O2--20e-=3CO2+4H2O

综上所述，燃料电池正极反应式本质都是氧气被还原为O2-，而O2-的存在形式决定于电解质环境，如果O2-不能独立存在，一定要借助于载体，所以正极的反应载体的确定非常重要；而负极的书写要注意电荷守恒配平，配平的离子根据电解质环境或根据正极方程式来确定。因此在书写正极反应式时，要特别注意电解质环境，这一点决定能否正确书写出两极方程式。

3作差法

先写出燃料电池的总反应方程式，然后再写出正极反应方程式，用总反应方程式减去正极反应方程式即为负极的反应方程式。燃料电池的总反应与相应可燃物燃烧的方程式的相同点：反应物和产物是相同的，不同的是条件不同（可燃物燃烧为可燃物与氧气在点燃条件下直接接触而发生的氧化还原反应，而燃料电池则为可燃物的氧化反应和氧气的还原反应分开在两电极进行，不是直接接触。），所以燃料电池的总反应即为可燃物燃烧的方程式，只是不注明点燃条件，较容易书写。燃料电池的正极反应有一个共同的特征：均为氧气的还原反应，只是因为电解质的环境不同写法不同，分为以下几种情况：①电解质环境为可传递H+或酸性溶液正极：O2+4H++4e-=2H2O②电解质环境为中性或碱性溶液正极：3O2+6H2O+12e-=12OH-③电解质环境为熔融的碳酸盐正极：2O2＋4CO2+8e-=4CO32-④电解质为固体氧化物可传递O2-正极：5O2+20e-=10O2-

燃料电池是原电池考点中的一个重要的考点，本质上是发生氧化还原反应，将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应即为原电池的负极反应和正极反应，电化学的电极方程式又是氧化还原反应这个考点的再现和延伸，所以燃料电池电极方程式的写法非常的重要，正确书写方程式的关键是电解质环境的确定，从而确定氧气还原产物O2-的存在形式，即所需要的载体，以及负极的电荷守恒的配平。

参考文献

1王改竹.化学中的认知误区18则[J].中学化学教与学，2011（7）：33～35

2王保国.浅议新教材中燃料电池电极反应式的书写方法[J].中学化学，2012（4）：28～29

作者单位：第五师高级中学（黄冈中学第五师分校）