燃料电池的电极反应书写

TheoParas3

【摘 要】 电化学是现代化学的重要研究方向，中学高考必考内容，书写燃料电池的电极反应，对理解电化学原理，以及不同反应介质的离子运动方向和电极反应式。
【关 键 词】 电化学；酸溶液；碱溶液；熔融氧化物；熔融盐；盐桥
电化学是高考必考考点之一，其中理解原电池关键是寻找氧化还原反应，难点是处理信息中不同离子导电的电极反应。
笔者以甲烷燃烧为例设计原电池，分析在常见电解质溶液中电极反应的书写方法。甲烷燃烧的氧化反应是CH4失去电子被氧化成+4价的碳和+1价的H；还原反应是O2得到电子被还原为-2价的O。难点是在电解质溶液中通过什么离子导电实现原电池（依据原电池原理，导电的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动），关键是抓住溶液中导电的离子运动方向，使反应物和生成物实现相应离子运动方向，即生成物要写成电解质溶液中对应化合物的存在形式，原电池自然不难理解，书写电极反应也就方便了。
一、H+导电，关键是实现H+由负极移向正极（酸溶液或质子交换膜）
以硫酸为电解质溶液设计的甲烷燃料电池。负极是CH4失去电子生成H+向正极运动，被氧化成+4价的在H+存在时生成CO2；
即首先可以书写出CH4-e-=CO2+H+；
再利用原子守恒在反应物中添加酸溶液的H2O；
配平方程式即为负极电极反应：2H2O+CH4-8e-=CO2+8H+
同样正极是O2得到电子被还原为-2价的O，与运动过来的H+结合写为H2O形式，即首先写出O2+e-+H+=H2O。
例1 （2012北京12）人工光合作用能够借助太阳能，用CO2和H2O制备化学原料。图1是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图，下列说法不正确的是（ ）
A. 该过程是将太阳能转化为化学能的过程
B. 催化剂a表面发生氧化反应，有O2产生
C. 催化剂a附近酸性减弱，催化剂b附近酸性增强
D. 催化剂b表面的反应是CO2+2H++2e-=HCOOH
二、OH-导电，关键是实现OH-由正极移向负极（强碱溶液或OH-交换膜，熔融的KOH）
以烧碱为电解质溶液设计的甲烷燃料电池，负极是CH4失去电子被氧化成+4价的碳与运动过来的OH-结合写成CO32-，+1价的H与OH-写成H2O；
即首先可以书写出CH4-e-+OH-=CO32-+H2O；
最后配平方程式即为负极电极反应10OH-+CH4-8e-=CO32-+7H2O
同样正极是O2得到电子生成OH-向负极运动，被还原为-2价的O生成OH-形式。即O2+e-=OH-，利用原子守恒在反应物中添加碱溶液的H2O，配平方程式即为正极的电极反应：2H2O+O2+4e-=4OH-
三、酸根离子导电，关键是实现酸根阴离子由正极向负极移动（熔融盐导电或酸根离子交换膜）
以熔融碳酸钠为电解质设计甲烷燃料电池。关键是碳酸根离子由正极向负极运动，负极是CH4失去电子被氧化+4价的碳，结合运动过来的CO32-生成CO2形式存在，+1价的H自然结合CO32-成H2O和CO2。
即首先可以书写出CH4-e-+CO32-=CO2+H2O
配平方程式即为负极电极反应：4CO32-+CH4-8e- =5CO2+2H2O
同样正极是O2得到电子生成CO32-向负极运动。即O2+e-=CO32-，说明在正极反应气中要混有CO2，反应物中添加CO2
配平方程式即为正极的电极反应：2CO2+O2+4e-=2CO32-
例2 （2000全国）熔融盐燃料电池可用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2混合气味正极助燃气，制得在6500C下工作的燃料电池，完成负极反应式_________________，正极反应式__________________。
四、O2-导电，关键是O2-由正极移向负极
以熔融氧化钠导电设计甲烷燃料电池。负极是CH4失去电子被氧化成+4价的碳结合运动来的O2-写成CO2形式，+1价的H结合O2-自然是H2O；
即可以书写出CH4-e-+O2-=CO2+H2O
配平方程式即为负极电极反应：4O2-+CH4-8e-=CO2+2H2O
同样正极是O2得到电子生成O2-向负极运动，被还原为-2价的O2-
即得正极的电极反应O2+4e-=2O2-
例3 （2013“浙江六校”第一次联考）某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定CO的浓度，其装置如图2所示，该电池中电解质为氧化钇-氧化钠，其中O2-可以在固体介质NASICON中自由移动。下列说法不正确的是（ ）
A. 工作时电极b作正极，O2-由电极b流向电极a
B. 负极的电极反应式为：CO+O2--2e-=CO2
C. 当传感器中通过2×10-3mol电子时，说明通过的尾气中含有2.24mL CO
D. 传感器中通过的电流，越大，尾气中CO的含量越高
五、盐桥导电（关键是盐桥中的金属阳离子向正极运动，盐桥中的酸根离子向负极运动）
如以硫酸为电解质溶液为设计铜锌原电池，为防止锌与硫酸直接反应，设计成如图3，盐桥中Cl-向负极运动，负极电极反应为：Zn-2e-=Zn2+，溶液中Zn2+浓度增大，正极电极反应为：2H++2e-=H2，K+向正极运动，正极溶液由H2SO4转化为K2SO4溶液。
在以金属为电极参与反应的原电池设计中经常使用盐桥防止金属电极与溶液直接发生化学腐蚀，同时实现阴阳极之间的离子定向运动导电，维持溶液电荷守恒。
【答案】
例1 选C 解析：负极H2O氧化生成H+，向正运动结合CO2生成乙酸。
例2 负极CO-2e-+CO32-=2CO2 正极反应O2+4e-+2CO2=2CO32- 解析：关键实现正极生成CO32-移动向负极。
例3 选C 解析：关键是正极生成O2-向负极运动，CO标况下为2.24mL。
【参考文献】
[1] 衣宝廉. 燃料电池——原理·技术·应用[M]. 北京：化学工业出版社，2003.
[2] 詹姆斯·拉米尼，安德鲁·迪克斯. 燃料电池系统——原理·设计·应用[M]. 北京：科学出版社，2006.
[3] 毛宗强. 燃料电池[M]. 北京：化学工业出版社，2005.