燃料電池電極反應式書寫的方法
長泰二中:葉勇強
原電池知識是中學化學的一個重要的組成部分，是高考常考的熱點，學生在學習原電池時最難掌握的卻是燃料電池的電極反應式的書寫。我結合自己多年的教學體會，從以下幾點談談燃料電池的電極反應式的寫法，供大家參考。
一、理解燃料電池的原理。
首先，要清楚燃料電池的組成:它是由正極(氧化劑電極)、負極(燃料電極)和電解質構成。燃料由化石燃料以及由此得到的衍生物，如氫、肼、烴、煤氣等液體和氣體燃料;氧化劑僅限于純氧或空氣;電解質類型通常有水劑體系(酸性、中性或堿性)的電解質、熔融鹽的電解質、固體(氧化物或質子交換膜)的電解質等。
其次，要知道電池電極反應的負極一定是可燃性物質，它發生失電子的反應，元素化合價升高，是氧化反應;正極一定是助燃性氣體，它發生得電子的反應，元素化合價降低，是還原反應。
第三，寫電極反應時，一定要注意電解質是什么，其中的離子要和電極反應中出現的離子相對應，即在堿性電解質中，電極反應式不能出現氫離子，在酸性電解質溶液中，電極反應式不能出現氫氧根離子。
第四，電極反應式必須遵循原子守恒，得失電子守恒，電荷守恒。而且正負兩極的電極反應式在得失電子守恒的條件下，相加后的電池反應式必須是燃料燃燒反應和燃料產物與電解質反應的相加反應式。
二、燃料電池電極反應式的幾種類型。
燃料電池的負極反應，一般較難寫出，而正極反應式和電池總反應式卻較易寫出。用電池總反應式減去正極反應式可得負極反應式，這是寫負極反應式的一種簡單且巧妙方法。但是大都情況下，題目給出的信息是不知電池的總反應式，那么學生只能根據題目的信息，分析清楚燃料和電解質的類型，從以下幾種方法來書寫。
(一)、正極反應式的書寫方法。
燃料電池的正極一定是助燃性氣體，一般是氧氣。正極O獲得電子后，可以這樣2
2,向學生解說，O得電子，若變成O后，只能在熔融狀態下存在，比如在熔融碳酸鹽狀2
1
2,，-2-態下，O，2CO +4e=2CO;在水溶液狀態下，O要么與H結合形成水，要么與HO2223
,，,結合形成OH，所以酸性條件下正極電極反應式為O，4 H，4,,2HO，堿性條件下22
,,正極電極反應式為O，2HO，4,,4 OH。 22
(二)、負極反應式的書寫方法。
負極反應式的書寫方法，要根據燃料的種類與燃料電池的電解質類型二者結合，可歸納出以下幾種類型:
1、燃料只含氫元素，實際上是氫氣的燃料的電池。
這種電池的電解質類型一般有兩種:一是電解質為酸性溶液，二是電解質為堿性
，溶液。可以這樣來引導學生理解，H失去電子后變成H，與酸性電解質的溶液可以共2
,，存，則負極反應式為H,2,,2 H，與堿性電解質的溶液不能共存，則負極反應式2
,,為H，2OH,2,,2HO; 22
2、燃料由碳氫兩元素或由碳氫氧三種元素組成。
燃料電池發生反應分為兩種情形，電解質為水溶液狀態和熔融狀態。水溶液狀態
，,2,,下，氫元素存在三種形式， H、OH、HO存在，碳元素同樣有三情形，CO、HCO、233
，2,CO。電解質在熔融狀態下，氫元素一般于H存在，碳元素于CO或CO存在。學生一223旦理解這樣情況，再結合題目給出電解質，應能很快書寫出負極電極反應式。
例如:
甲烷做為燃料的，電解質為KOH溶液的燃料電池，一種方法可以這樣理解:CH4
2,中C元素化合價為,4價，反應后變為，4價，在堿性介質下只能以CO存在，碳原3子需結合氧原子形成碳酸根離子，則氧原子需從水分子或氫氧根離子處獲得，若從水分子中得到一個氧原子，余下是氫離子，在堿性介質下是不可能存在，所以只能從氫氧根離子獲得氧原子，并生成水分子，氫離子與氫氧根離子結合生成水。氧氣獲得電
2-,子變為O后在堿性介質下只與水結合形成OH。因此不難寫出電極反應式，負極反應
,,,,2,式為:CH，10OH,8,,CO，5 HO;正極電極反應式為:O，2HO，4,,4 OH。 43222
2,另一種方法為:可以這樣理解成甲烷燃燒成CO在堿性介質下會生成CO，所以23
,讓學生先寫出燃燒的化學方程式:CH，2 O,CO，2HO，再考慮CO與OH會反應生成42222
,2,2,CO和HO，由總反應方程式CH，2 O，2 OH,CO，3 HO，然后減去正極反應式324232
,,O，2HO，4,,4 OH，也可得出負極反應式。 22
2
三、燃料電池的電極反應式的配平方法。
燃料電池的電極反應式的配平方法有許多種，直接得失電子守恒法、質量守恒法、電荷守恒法等等。但在多年的教學中我總結了一種得失電子結合電荷守恒法，針對復雜燃料電池的電極反應式的配平，學生容易掌握且行之有效，很實用。
具體的配平方法如下面實例——甲烷燃料電池(電解質溶液為KOH溶液)。在負極反應中，甲烷被氧化為二氧化碳，二氧化碳在堿性條件不能存在，需結合氫氧根離子生成碳酸根離子。甲烷中碳元素化合價由-4價升高到碳酸根中的+4價，故1 mol
-2-甲烷發生反應失去8 mol電子，結合1 mol OH生成1 mol CO，再根據電荷守恒，電3
-2-極反應式右側1個CO帶兩個單位負電荷，故左側應該有10個 OH,帶有10個單位的3
負電荷，扣除失去8個電子，余下有2個單位的負電荷，即電荷守恒，再根據原子守
--2-恒，電極反應式右側加上7 個 HO。即得CH + 10OH - 8e = CO + 7HO。而正極的2432電極反應式較為簡單，這里就不再解析。
再以甲醇燃料電池(電解質溶液為KOH溶液)為例:負極反應中CHOH中碳元素3化合價由-2價，被氧化為+4價的二氧化碳，在堿性條件下只能以碳酸根離子存在，故
-2-1 mol甲醇發生反應失去6 mol電子，結合1 mol OH生成1 mol CO，再根據電荷守3
-2-恒，電極反應式右側1個CO帶兩個單位負電荷，故左側應該有8個 OH,帶有8個單3
位的負電荷，扣除失去6個電子，余下有2個單位的負電荷，即電荷守恒，再根據原
--2-子守恒，電極反應式右側加上7 mol HO。即得CHOH + 8OH - 6e = CO + 5HO。 2332
綜上所述，燃料電池的電極反應式的書寫的方法，最重要的是明白原電池的工作原理，這一點對學生來說不難理解，正負極也能找到，但是對于有電解質溶液參與的電極反應來說就不知如何是好，就寫不出電極反應式，如果能夠理解燃料電池的原理，分清燃料電池電極反應式的幾種類型，掌握燃料電池的電極反應式的配平方法，那么燃料電池的電極反應式的書寫這一難題也就迎刃而解了。
地址:福建省漳州市長泰縣第二中學
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投稿人:高中化學老師:葉勇強
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