浅析一种书写燃料电池负极反应式的新方法

杨金才

摘要：提出了一种配平燃料电池负极反应式的新方法——零价法。即将燃料电池的燃料物质看成零价，根据负极发生失电子的氧化反应，计算出单位燃料参与负极反应时所失去的净电子数，确定燃料物质与电子数之比，再依据守恒原理快速、准确地书写燃料电池的负极反应式。

关键词：零价法；燃料电池；负极反应式；配平

文章编号：1005–6629（2016）4–0087–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

燃料电池（Fuel Cell）是21世纪最有希望的新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。在中学教学中，燃料电池是原电池原理的具体应用，要求学生掌握其工作原理及各种电解质环境下电极反应式的书写。近年来，燃料电池原理已成为高考的热点内容，电池电极反应式的书写尤为重要，其中负极反应式的书写是最困难的。目前书写燃料电池负极反应式采用的主要是“相减法”[1]。即在电子守恒的基础上，用总反应式减去正极反应式得到负极反应式。“相减法”书写燃料电池负极反应式比较繁杂且耗时较长，容易出现错写、漏写等问题。针对目前书写方法的缺点，本文借鉴配平特殊氧化还原反应的一种方法，将“零价法”的思想引入燃料电池电极反应式的书写当中，用来书写燃料电池负极反应式。“零价法”与“相减法”相比，省去比较繁琐的书写总反应式和正极反应式的过程，具有简单、快速、准确等特点，使学生更易接受，也更易掌握。

1 零价法简介

通过对特殊类型的氧化还原反应方程式配平的研究[2，3]，从而确立一种配平特殊氧化还原反应的方法——零价法。其主要内容是“在化合价升降法的基础上对特殊类型的还原剂作特殊处理，把反应前还原剂中起还原作用的元素看成零价，然后在零价的基础上，算出还原剂各元素化合价升高数值的代数和。再根据守恒原理配平该氧化还原反应”。该法配平特殊类型的氧化还原反应较为简单、高效。可适用于化合价难以确定、有单质参加、带字母以及有机物参与的氧化还原反应方程式的配平[4]。

2 零价法书写燃料电池负极反应式的理论基础

碳元素位于元素周期表中第二周期第ⅣA族，原子最外层有4个电子，易形成共价键，其化合价在无机物中为+2或+4价。在碳的同素异形体中，碳原子之间以共价键结合，碳元素的化合价为零价。有机物分子中碳的化合价与其单质相似[5]，故可以不考虑其化合价。燃料电池中，燃料在负极发生失电子的氧化反应，即电池反应中燃料作还原剂。如果将还原剂中各元素记为“零价”，而氧化产物中各元素的化合价均已确定，就可以计算出单位燃料被氧化所失去的净电子数，从而书写出负极反应式。因此，零价法在理论上可以书写燃料电池的负极反应式。

3 零价法书写燃料电池负极反应式的具体步骤

燃料电池中，由于知道燃料在负极发生失电子的氧化反应，假定1mol燃料参与反应，先确定失去的净电子总数，再由电池所处的化学环境及电荷守恒、质量守恒，直接写出电池负极反应式。其书写规律因为燃料物质种类的不同而有细微差别。下面根据几种不同类型的燃料进一步加以说明：

3.1 烃类有机物燃料电池

3.2 含氧有机物燃料电池

此类有机物中除含碳、氢元素外，还含有氧元素。将各元素的化合价记为“0”价，分析电极产物可知起还原作用的元素也只有碳元素和氢元素。氧元素反应后化合价降低，应得到电子，因此在计算燃料失去的“净电子”总数时，应扣除其中氧本身得到的电子数。如燃料为CH3OH，1mol CH3OH参与电极反应时，把C、H、O均记为“0价”，其中C和H的化合价升高，失去的电子总数为8mol；而O的化合价降低，得到2mol电子。这样，燃料所失去的净电子数应是6mol，而不是8mol或其他数值。当电解质为酸性时，负极反应式为：

CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。

下面以实例进行讨论：

例1 （江苏高考节选）以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图1所示。下列关于该电池的叙述正确的是（ ）

B.电池的负极反应为：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+（其他选项略）

解：用零价法分析可得1mol葡萄糖参与反应失去的净电子数为（6×4+12×1）-（6×2）=24mol；根据图可知电解质为酸性环境，由守恒原理确定电极产物CO2、H+的化学计量系数分别为6、24。则写出完整的电极反应式：

C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+。

故B选项正确。

3.3 以肼类为燃料代表的燃料电池

例2 （节选）肼（N2H4）又称联氨，是一种可燃性的液体，可用作火箭燃料。已知在101kPa时，32.0g N2H4在氧气中完全燃烧生成氮气，放出热量624kJ（25℃时）。

问题（2）：肼-空气燃料电池是一种碱性燃料电池，电解质溶液是20%～30%的KOH溶液。肼-空气燃料电池放电时，负极的电极反应式是

。

解：由零价法原理，把N2H4中N和H元素记成“0”价，由题意电池产物为N2，其中氮元素的化合价为零价，化合价没有改变；而氢元素的化合价从“0”价升高到+1价。则1mol N2H4参加反应失去的净电子数为4mol，再由电解质为碱性环境和电荷守恒、质量守恒，不难写出负极反应式为：

N2H4-4e-+4OH-=N2↑+4H2O。

运用零价法书写燃料电池负极反应式，关键是找准燃料分子中起还原作用的元素，求得单位燃料被氧化后失去的“净电子”总数，确定燃料与电子的化学计量系数之比；其次考虑电解质环境，运用电荷守恒确定电极反应式中离子的系数；最后利用质量守恒写出缺少的物质并观察配平电极反应式即可。表1给出了常见燃料电池的负极反应式作为学习者参考使用。

读者可根据表中信息自行写出几种燃料在其他电解质环境下的负极反应式，以便进一步理解并掌握“零价法”书写负极反应式的具体步骤。

参考文献：

[1]刘三先.浅析一种书写燃料电池电极反应式的新方法[J].中学教学参考，2014，（11）：80～81.

[2]周方盛.中学无机物氧化还原反应的配平[J].数理化解题研究（高中版），2010，（1）：13～14.

[3]姚斌.“零价法”配平特殊类型的氧化还原反应方程式[J].高中数理化，2003，（3）：43～44.

[4]赵菁，华祺年等.巧用“零价配平法”配平氧化还原方程式[J].化学教学，2012，（9）：68.

[5]李志学.关于碳元素的多种化合价的研究[J].化学教育，1996，（11）：33.