燃料电池电极反应式的书写技巧

虞玲

初学原电池，大多数同学感到电极反应很难写，原电池电极反应与一般的氧化还原反应的书写是有差异的，有它自身的书写方法和技巧，我们只要掌握规律，强化练习还是可以掌握要领的。下面笔者就结合自身的教学经验总结一下燃料电池电极反应式的书写技巧。

电极反应式书写总则：

负极：失电子，发生氧化反应（一般是负极本身失电子）

正极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在正极上得电子，但也可能是O2在正极上得电子（吸氧腐蚀），或正极本身得电子）

总反应式（电池反应）=正极反应式+负极反应式

如果知道电池总反应式：氧化剂+还原剂+（某介质）=还原产物+氧化产物+（另一介质），根据总反应找出氧化剂和氧化产物、还原剂和还原产物，电极反应的总模式是：

负极：还原剂-ne—=氧化产物

正极：氧化剂+ne—=还原产物

其他参与反应的介质分子或离子，根据配平需要，添加在半反应的反应物或生成物中。

然而很多时候我们并不知道电池总反应式，那我们就需要根据不同的情况来进行分析。

今天在这我就特意讲一下燃料电池的书写技巧。

燃料电池的优点较多，也是近年高考的热点内容。燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池，它与原电池形成条件有一点相悖，就是两极不一定是两根活动性不同的电极，也可以是两根相同的电极。解决此类问题必须抓住一点：燃料电池反应实际上等同于燃料的燃烧反应，但要特别注意介质对产物的影响。

（1）氢氧燃料电池

氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂（Pt）或石墨做电极材料，负极通入H2，正极通入O2，总反应就是氢气的燃烧反应：2H2+O2=2H2O。写电极反应式时特别要注意电解质，有以下三种情况：

a、碱性电解质（电解质是KOH溶液）

负极：H2-2e-+2OH—=2H2O（氧化反应）

正极：O2+H2O+4e-=OH—（还原反应）

总反应方程式2H2+O2=2H2O

b、酸性电解质（电解质是H2SO4溶液）

负极：H2-2e-=2H+（氧化反应）

正极：O2+4H++4e-=2H2O（还原反应）

总反应方程式2H2+O2=2H2O

c、中性电解质（电解质是NaCl溶液）

负极：H2-2e-=2H+（氧化反应）

正极：O2+H2O+4e-=4OH—

总反应方程式2H2+O2=2H2O

[注意]电解质溶液中也要考虑离子共存的问题：

H+不能存在于碱性溶液反应物、生成物中；

2、OH-不能存在于酸性溶液反应物、生成物中；

3、水溶液中不能出现O2-，O2-会在不同的环境当中，结合不同的粒子，一是自己能够稳定，酸性环境中结合H+后成为水；碱性环境或者中性环境中，O2-会结合H2O形成OH—。

a、有机物燃料电池

有机物燃料电池的电解质的环境分酸性和碱性。比如甲醇燃料电池，它的电极反应如下：

b、酸性电解质（铂为两极、电解液H2SO4溶液）

正极：3O2+12e-+12H+=6H2O（还原反应）

负极：2CH3OH-12e-+2H2O=12H++2CO2（氧化反应）

总反应式2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O（氧化反应）

c、碱性电解质（铂为两极、电解液KOH溶液）

正极：3O2+12e-+6H2O=12OH-（还原反应）

负极：2CH3OH-12e-+16OH—=2CO32-+12H2O（氧化反应）

总反应方程式2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

虽然环境有酸性和碱性，但是实际用下来，大多数燃料电池的环境为碱性。下面我就重点对碱性环境下的有机物燃料电池做一下总结。

对于以任意一种有机物为燃料的碱性燃料电池来说，其正极反应式全部是以“O2+4e-+2H2O=4OH-”反应式为基础，然后根据耗氧量的不同，或者说电子转移数目的不同，其正极反应式是这个基础式子的n倍。电极反应式书写的常规方法是：先写出燃料燃烧的总反应方程式，及产物CO2与碱反应的方程式，然后用总反应式（电池反应）=正极反应式+负极反应式，算出负极反应式。但是，这种方法算起来很麻烦，我通常给学生采用的方法是：建立模板直接书写法。模板具体如下：

有机物—（ ）e-+（ ）OH- = （ ）CO32- + （ ）H2O

说明：（1）此模板中有機物可以为任意含C、H、O的有

机物；

（2）电子前面的系数来源于有机物电子转移总数；

（3） CO32-的系数就是有机物中碳原子的总数；

（4） OH-的系数等于碳原子总数的2倍与转移电子总数

之和；

（5） H2O的系数遵守质量守恒定律。

例如：丙烷燃料电池（铂为两极、电解液KOH溶液）

先写模板：C3H8—（ ）e- + （ ）OH- = （ ）CO32- + （ ）H2O

[分析]C3H8中碳元素的价态为8/3，与CO32-中碳元素的价态的差值为20/3，则反应中转移的电子数目为20；CO32的系数为3；于是算出OH- 的系数为20+3*2=26；有质量守恒算出H2O的系数为17。从而得到丙烷燃料电池的负极反应式为：C3H8—20e-+ 26 OH—=CO32- + 17H2O；由O2+4e-+ 2H2O= 4OH- 对比电子转移总数，得到正极反应式为5O2+20e-+10H2O=20OH—；从而可以得到总反应式C3H8+5O2+6KOH=3K2CO3+7H2O。

刚开始应用此方法时会觉得生疏，但是掌握了以后可以很快的应对各种有机燃料电池（碱性），也不用绕道来写负极反应式了。酸性燃料电池也可以建立类似的模板，因为应用较少，笔者就不在此赘述，有兴趣的同学可以自己研究一下。endprint