探究燃料电池电极反应式的书写方法和技巧

梁淑培

摘 要：燃料电池电极反应式的书写倍受命题人的青睐，是近年来高考中高频考点之一，也是学生感到困难的部分之一，由于题材广、信息新、陌生度大，很多学生做到这类试题时感到难解，在解题时无从下手。在高考理综考试答题中由于时间紧、学生书写易错率高，目前辅导书籍上的讲法良莠不齐，为了帮助同学们准确快速把握这类电池的电极反应式的写法，筆者根据自己多年教学成功经验，结合近六年来新课改和五届高三的教学实践经验，结合自己的教学体会谈谈来燃料电池电极反应式的书写方法和技巧，供大家参考。

关键词：燃料电池；电极反应式书写；技巧

所有燃料电池的工作原理都是一样的，即氧化还原反应，而氧化还原反应的本质是：反应过程中有电子的得失或转移，其特征是反应前后元素的化合价发生改变，因此，只要根据负极燃料燃烧前后元素化合价的变化即可直接书写电极反应式，其电极反应的书写同样是有规律可循的。所有的燃料电池的工作原理书写燃料电池电极反应式的步骤类似于普通原电池。

一、燃料电池电极反应式书写方法

1.列物质，标得失 （列出电极上的物质变化，根据价态变化标明电子得失）。

2.选离子，配电荷 （根据介质选择合适的离子，配平电荷，使符合电荷守恒）。

3.巧用水，配个数 （通常介质为水溶液，可选用水配平质量守恒）。

二、燃料电池电极反应式书写实例探究

例1.氢氧燃料电池（以惰性金属铂做电极，H2燃料在不同电解质中的电极反应）

中性电解质溶液中（NaCl溶液为例），负极通入H2，正极通入O2，正极反应O2得到电子首先变为O2-，O2-与中性电解质溶液中H2O结合生成OH- ，或者最好让学生记住规律，有O2参加的正极反应记为：吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH-，故正极反应式为：O2+2H2O + 4e- = 4 OH- ；在负极上1mol H2 失去 2mole- 生成2mol H+ ，根据电子守恒，其负极的电极反应式为：2H2-4e- = 4H+ ，总反应式为：2H2 + O2 = 2H2O 。

例2.含碳燃料电池（以石墨做电极，CH4 燃料在不同电解质中的电极反应）

酸性电解质溶液中（H2SO4溶液为例），负极反应物CH4中碳元素的化合价为-4价，生成物为CO2 ，其碳元素化合价为+4价，反应过程中碳元素的化合价升高8 ，所以负极1mol CH4失去的电子数为8mol ，故负极的电极反应式为：CH4–8e- + 2H2O = CO2+ 8H+，正极氧气得到电子首先变为氧离子，在酸性溶液中生成的氧离子与氢离子结合生成水，根据电子守恒，其正极反应式为： 2O2+ 8e- +8H+ = 4H2O；总反应式为：CH4+2O2=CO2+2H2O 。

例3.肼燃料电池（以惰性金属铂为两极，N2H4 燃料在不同电解质中的电极反应）

酸性电解质溶液中（H2SO4溶液为例），负极反应N2H4中氮元素的化合价为-2价，生成物为N2 ，其氮元素化合价为 0 价，反应过程中氮元素的化合价升高2 ，所以负极1mol N2H4失去的电子数为4mol，故负极的电极反应式为：N2H4–4e- = N2 + 4H+ ；正极上氧气得电子发生还原反应，正极氧气得到电子首先变为氧离子，在酸性溶液中生成的氧离子与氢离子结合生成水或者记口诀（吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH- ，在酸性电解质溶液中正极生成OH-与酸性电解质溶液中的H+生成H2O ），其正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O ；总反应式为：N2H4 + O2 = N2 + 2H2O 。

例4.氨气燃料电池（以惰性金属铂为两极，NH3 燃料在电解质为KOH溶液中的电极反应）

NH3 燃料电池负极反应是还原剂NH3中氮失去电子被氧化N2 ，负极反应物NH3中氮元素的化合价为-3价，生成物为N2 ，反应过程中氮元素的化合价升高3价，生成1mol N2负极失去的电子数为6mol，剩余的H+ 与碱性电解质溶液中OH- 结合生成H2O ，根据质量和电荷守恒，负极反应式为：4NH3–12e- + 12OH- = 2N2 + 12H2O ，正极反应式为：3O2+6H2O+12 e- =12OH- ，总反应式为：4NH3+3O2 = 2N2 +6H2O 。

三、燃料电池电极反应式书写技巧

1.正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子，根据电解质的不同，其正极电极反应式书写分以下几种情况：

① 在酸性溶液中生成的氧离子与氢离子结合生成水，其电极反应式为： O2+ 4e- + 4H+= 2H2O 。

② 在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，其电极反应式为： O2+4e- +2H2O=4OH- （有O2参加反应记住：吸1 mol O2 喝2 mol H2O再吃4mol e- 生成4mol OH-）。

③ 在熔融碳酸盐中，氧离子与碳酸根离子不能结合，只能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，其电极反应式为：O2 + 2CO2 + 4e- = 2CO32- 。

④ 在熔融氧化物介质中，氧气得到电子转化为氧离子，其电极反应式为：O2 + 4e- = 2O2- 。

2.负极发生氧化反应，有以下几种情况：

① 若负极通入的气体是氢气，则在酸性溶液中： H2- 2e- = 2H+ ，在碱性溶液中：H2- 2e- + 2OH-= 2H2O ，在熔融氧化物中：H2 -2e- + O2-= H2O 。

② 若负极通入的气体为含碳的化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为正四价碳的化合物、在酸性溶液中生成二氧化物气体、在碱性溶液中生成碳酸根离子，熔融碳酸盐中生成二氧化碳，熔融氧化物中生成碳酸根离子，含有氢元素的化合物最终都生成水。

3.书写燃料电池的电极反应式时，正极的产物作为负极的反应物；碱性溶液反应物、生成物中均无H+；酸性溶液反应物、生成物中均无OH-；中性溶液反应物中无H+ 和OH-；水溶液中不能出现O2-。

例如：甲醇燃料电池以铂为两极，CH3OH中碳元素的化合价为-2价，生成物CO2中碳元素化合价为+4价，反应过程中碳元素的化合价升高6，负极1mol CH3OH失去的电子数为6mol，故电极反应式为：

① 酸性电解质溶液中（H2SO4溶液为例）负极的电极反应式为：CH3OH -6e- +H2O =6H++ CO2，正极反应式为：O2+4e- +4H+=2H2O ，根据电子守恒，总反应式为：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O ；

② 碱性电解质溶液中（KOH溶液为例）负极的电极反应式为：CH3OH -6e- +8OH- = CO32-+ 6H2O ，正极反应式为：O2 +2H20+4e- =4OH-，根据电子守恒，总反应式为：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O 。

四、燃料电池电极反应式书写注意事项

1.通入可燃性气体一定是电池的负极，失电子，元素化合价升高，发生氧化还原反应；通氧化性气体一定是电池的正极，得电子，化合价降低，发生还原反应。

2.燃料电池两电极材料一般都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气，两电极只起催化和集流作用或电极本身仅起传导电子的作用。

3.电极反应式作为一种特殊的离子反应方程式，也必须遵循原子守恒、电荷守恒。

4.写电极反应时，一定要注意电解质是什么，在碱性电解质中，电极反应式中不能出现氢离子，在酸性电解质溶液中，电极反应式中不能出现氢氧根离子。

5.燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，正负两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下，两电极反应式相加，消去电子后得电池总反应式与燃料燃烧的化学反应方程式相同。