甲醇燃料电池方程式【解析高考燃料电池的电极反应式书写】
时间：2019-01-06 03:20:00 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要: 原电池知识是中学化学中的重要基本概念,也是近年来高考的热点。在学习原电池知识时,学生最感到困难的是电极反应式的书写。特别是燃料电池的电极反应式的书写,本文主要解析高考常考燃料电池的电极反应式的书写。
关键词: 化学新课程 燃料电池 电极反应式
随着课程改革的逐步推进,化学新课程教材中的选修模块《化学反应原理》成了高考必考模块。由于国际市场原油价格居高不下,新型能源的研究迫在眉睫。燃料电池因其能量利用率高而颇受人们关注,成为近一段时期高考热点问题。那么什么是燃料电池,燃料电池的工作原理是什么,电极反应式如何正确书写?下面我结合教学经验,借助例题来谈谈这类试题的解答方法。
―、认识燃料电池
燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它可以将贮存在燃料(如H、CH、乙醇等)和氧化剂中的化学能直接转化为电能。它由燃料、氧化剂、电极、电解质组成。所有燃料电池的基本形式为:将燃料和氧气(或空气)分别充入负极和正极,两者在电极的催化作用下进行化学反应,从而产生电流。在不断补充燃料和氧气(或空气)的条件下,燃料电池可连续发电。因此,它不同于需要间断充电的蓄电池,也不同于一次性电池。这种电池能量利用率可高达80%(一般柴油发电机只有40%左右),反应产物的污染也少。高考燃料电池根据采用的电解质不同分为:(1)碱性燃料电池;(2)酸性溶液燃料电池;(3)熔融盐燃料电池;(4)固体氧化物燃料电池;(5)质子交换膜燃料电池。
燃料电池的原理并不复杂。以氢―氧燃料电池为例,当氢气被送到负极通道,由于负极催化剂的作用,氢分子(H)发生氧化反应,失去电子,生成带正电荷的H,H进入电解液中,电子(e)则通过外电路流向正极,产生电流。正极区的氧同电解液中的H吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。
二、燃料电池的常考类型和解题方法
燃料电池虽然是一种不经过燃烧而转化电能的装置,但其在放电时发生的总反应和燃料燃烧时的总反应一样(如生成物与电解液能继续反应的要考虑继续反应)。一般是O为氧化剂,可燃物为还原剂。我们可以利用这一点进行解题。根据原电池的基本原理,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,所以可燃物为负极反应物,O为正极反应物。燃料电池电极式书写非常好的解决方法是“燃烧总反应法”,即“燃烧总反应式-固定正极反应式=负极反应式”(总反应式有离子反应最好写离子方程式)
1.碱性溶液燃料电池(如电解质溶液为KOH溶液或NaOH溶液,电极为惰性电极)。
固定正极反应式:O+2HO+4e=4OH
反应过程:O+4e=2O,2O+2HO=4OH
O在碱性条件下不能单独存在,只能结合HO生成OH。
例:
CHOH|KOH(aq)|O
总反应式:2CHOH+3O+4OH=2CO+6HO。
(反应过程:2CHOH+3O=2CO+4HO,2CO+4OH=2CO+2HO)
正极反应式:3O+6HO+12e=12OH
(O+2HO+4e=4OH)
负极反应式:2CHOH+16OH-12e=2CO+12HO
(CHOH+8OH-6e=CO+6HO)
电解液pH变化:pH变小。(从总反应看,既反应了碱又生成水,使电解液碱性减弱)
2.酸性溶液燃料电池(如电解质溶液为HSO溶液或HPO溶液,电极为惰性电极)。
固定正极反应式:O+4H+4e=2HO
反应过程:O+4e=2O,2O+4H=2HO
O在酸性条件下不能单独存在,只能结合H生成HO。
例:
CHCHOH|HSO(30%)|O
总反应式:CHCHOH+3O=2CO+3HO。
反应过程:CHCHOH+3O=2CO+3HO,生成物不与电解液反应此反应,即为总反应式。
正极反应式:3O+12+12e=6HO
(O+4H+4e=2HO)
负极反应式:CHCHOH+3HO-12e=2CO+12H
电解液pH变化:pH变大。(从总反应看,反应生成水,稀释电解液,使电解液酸性减弱)
3.熔融盐燃料电池(熔融KCO或LiCO或LiCO―NaCO)。
固定正极反应式:O+4e+2CO=2CO
例:
熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用LiCO和NaCO的熔融盐混合物作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO的混合气为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池,完成有关的电池反应式:
总反应式:2CO+O=2CO。
正极反应式:O+4e+2CO=2CO
负极反应式:2CO+2CO-4e=4CO
(CO+CO-2e=2CO)
4.固体氧化物燃料电池(电池的电解质传递O)。
固定正极反应式:O+4e=2O
例:
一个电极通入空气,另一个电极通入CH,电池的电解质是掺杂了YO的ZrO晶体,它在高温下能传递O。
总反应式:CH+2O=CO+2HO。
正极反应式:2O+8e=4O
(O+4e=2O)
负极反应式:CH+4O-8e=CO+2HO
5.质子交换膜燃料电池(膜只传递质子即H)。
质子交换膜燃料电池,是一种新型燃料电池,其电解质是一种固体有机膜,在增湿情况下,膜只传导质子。它一般用铂做催化剂,工作环境温度一般为60―80℃,属低温燃料电池。
质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分,中间是一层很薄的膜――质子交换膜,这种膜不传导电子,是氢离子的优良导体,它既作为电解质提供氢离子的通道,又作为隔膜隔离两极反应气体。膜的两边是气体电极,由碳纸和催化剂组成,负极为燃料电极,正极为氧电极。流场板通常由石墨制成。多个电池单体根据需要串联或并联,组成不同功率的电池组(电堆)。
例:
H/O(电解质为质子交换膜)
正极:O+4e+4H=2HO
总反应式:2H+O=2HO
正极:O+4H+4e=2HO
负极:2H-4e=4H
(H-2e=2H)
总之,对于原电池的电极反应式的书写来说,最重要的是明白原电池的工作原理,这一点对学生来说不难理解,但是对于有电解质溶液参与的电极反应来说就不知如何是好,正负极也能找到,就是写不出电极反应式。负极失电子正极得电子都知道,却忽略了得失电子变成离子后要进入溶液中,如果溶液中存在的离子与在正极负极得失电子变成的离子不能共存,则要继续反应,反之,不反应共存于溶液中。如果能分析清楚这些,那么难题也就迎刃而解了。
参考文献:
[1]杨海萍.燃料电池电极反应式书写的规律.考试周刊.长春出版社,2009,(51).
[2]段茂连.几种新型燃料电池电极反应式的书写.试题与研究.教学论坛.中学生学习报社,2010,(5).
[3]全国及各省市高考试题.
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