巧妙解决燃料电池电极式书写问题

马德喜　李颖

燃料电池绿色环保，电能转化率高，也是高考中常出现的热门考点，部分学生对于燃料电池的电机式书写不得要领，那么如何书写燃料电池电极式呢。

解决燃料电池电极式书写应具备以下四个认识：

1、有氧气参与的燃料电池，正极一定是氧气得电子：O2+4e–=2O2–

2、O2–怕H2O怕CO2

O2–+H2O=2OH-（水溶液时考虑此情况）;O2–+CO2=CO32–（熔融的碳酸盐时考虑此情况）

3、环境：水溶液（酸性和碱性），熔融态（碳酸盐和非碳酸盐），固态

4、方法：由已知数学中a+b=c知，a=c–b或b=c–a

结合四方面的认识来解决燃料电池电极式书写问题。

下面以甲烷燃料电池为例：

酸性溶液（有水）：

总的电极反应式为：

–4 0  +4–2–2

CH4+2O2=CO2+2H2O①

通过元素化合价来判断负极参加反应的物质是CH4，正极参加反应的物质是O2，正极电极反应式容易直接书写。

正极分析：O2+4e–=2O2–，2O2–+2H2O=4OH-，4OH–+4H+=4H2O

整理得：正极电极式：O2+4H++4e–=2H2O②

由②×2得：2O2+8H++8e–=4H2O③

将③式颠倒得：4H2O=2O2+8H++8e–④

由①+④得：CH4+2H2O=CO2+8H++8e–⑤

将⑤式中的8e–移到等式的左侧得：

负极电极式：CH4+2H2O–8e–=CO2+8H+

但还要注意如果题目要求正负电极式全部写出时，正负极电极式中得失电子的数目一定要相等.

碱性溶液（有水）：

总的电极反应分析：

CH4+2O2=CO2+2H2O①

CO2+2OH–=CO32–+H2O②

由①+②得：总的电极反应式：CH4+2O2+2OH–=CO32–+3H2O③

正极分析：O2+4e–=2O2–，2O2–+2H2O=4OH–

整理得：正极电极式：O2+2H2O+4e–=4OH–④

由④×2得：2O2+4H2O+8e–=8OH–⑤

将⑤式颠倒得：8OH–=2O2+4H2O+8e–⑥

由③+⑥得：CH4+10OH-=CO32–+7H2O+8e–⑦

将⑦式中的8e–移到等式的左侧得：

负极电极式：CH4+10OH-–8e–=CO32–+7H2O

熔融的非碳酸鹽：

总的电极反应式为：

CH4+2O2=CO2+2H2O①

正极分析：O2+4e–=2O2–

所以正极电极式：O2+4e–=2O2–②

由②×2得：2O2+8e–=4O2–③

将③式颠倒得：4O2–=2O2+8e–④

由①+④得：CH4+4O2–=CO2+2H2O+8e–⑤

将⑤式中的8e–移到等式的左侧得：

负极电极式：CH4+4O2––8e–=CO2+2H2O

熔融的碳酸盐（此时空气中的CO2参与反应）：

总的电极反应式为：

CH4+2O2=CO2+2H2O①

正极分析：O2+4e–=2O2–，2O2–+2CO2=2CO32–

整理得：正极电极式：O2+2CO2+4e–=2CO32–②

由②×2得：2O2+4CO2+8e–=4CO32–③

将③式颠倒得：4CO32–=2O2+4CO2+8e–④

由①+④得：CH4+4CO32–=5CO2+2H2O+8e–⑤

将⑤式中的8e–移到等式的左侧得：

负极电极式：CH4+4CO32--8e–=5CO2+2H2O

应用练习

乙醇燃料电池，电解质溶液为NaOH溶液，写出下列电极方程式。

总的电极式为：

正极电极式为：

负极电极式为：

分析：因为是碱性溶液环境，所以总的电极式为：C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2O

分析正极：O2+4e–=2O2–，2O2-+2H2O=4OH–得，正极电极式为O2+2H2O+4e–=4OH–，然后扩大3倍再颠倒与总的电极式左右相加得，负极电极式为C2H5OH+16OH--12e–=2CO32-+11H2O

总结：只要大家记住O2-+H2O=2OH-;O2-+CO2=CO32-，结合环境写出总的、正极电极式，再运用加和性来处理我们就能够准确地书写出燃料电池电极式甚至解决其他类型电池电极式书写。