“三步分析法”书写燃料电池的电极反应式

燃料电池是一种不经燃烧, 将燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置, 其工作原理与其他原电池一样, 基本结构也与一般化学电源相同, 由正极 (氧化剂电极) 、负极 (燃料电极) 和电解质构成, 电极本身不参与反应。燃料电池的本质是将燃料燃烧这一氧化还原反应分成了两个分别在负极和正极发生的半反应, 负极是燃料失去电子而被氧化, 正极是氧气获得电子而被还原, 因此, 书写电极反应式时, 只要抓住本质, 利用“三步分析法”进行分析, 就可以化难为易。

“三步分析法”书写燃料电池电极反应式的分析步骤如下:

(1) 分析燃料电池的正负极:写出燃料燃烧的化学方程式, 分析化合价的升降, 找出物质得失电子情况, 从而找出燃料电池的正负极。

(2) 分析正负极的电极产物:分析反应物得失电子后的产物与电解质溶液是否能反应, 如果不与电解质溶液反应, 则负极产物就是燃烧反应中的氧化产物, 正极产物就是燃烧反应中的还原产物;如果要与电解质溶液反应, 则反应后的产物是电极产物。

(3) 书写电极反应式:根据正负极的反应物和产物, 遵循得失电子守恒、原子守恒、电荷守恒的原则写出正负极的电极反应式。 (当电解质为碱性或中性环境时, 正极的电极反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-;当电解质为酸性环境时, 正极的电极反应为:O2+4H++4e-=2H2O。可用总反应减去正极反应即得负极反应)

例1:燃料电池是一种高效、低污染的新型电池, 主要用于航天领域。它的电极材料一般为活性电极, 具有很强的催化活性, 如铂电极、活性炭电极等。如电池以CH4为燃料, O2为氧化剂, 可用酸性电解质 (如硫酸) , 也可用碱性电解质 (如KOH) 。

(1) 当用酸性电解质时, 电极反应为:

负极:——————正极:——————总反应为:——————

(2) 当用碱性电解质时, 电极反应为:

负极:——————正极:——————总反应为:——————

解析:按照“三步分析法”分析如下:

(1) (1) CH4燃烧反应为:CH4+2O2→CO2+2H2O, 碳元素的化合价从-4升高到+4 (失电子) , CH4作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) CO2、H2O与H2SO4不发生反应, 所以, 负极产物是CO2, 正极产物是H2O。 (3) 正极反应的本质是O2+4e-=2O2-, 但是O2-在水溶液中不能单独存在, 可以与H2O结合生成OH-, 也可以与H+结合生成H2O, 由于电解质是硫酸, 在酸中不能生成碱, 在碱中不能生产酸, 所以, 正极的电极反应式为O2+4e-+4H+→2H2O;负极反应的本质是CH4-8e-→CO2, 电极反应式为CH4-8e-+2H2O→CO2+8H+。根据得失电子守恒, 总反应为:CH4+2O2→CO2+2H2O。

(2) (1) CH4燃烧反应为:CH4+2O2→CO2+2H2O, 碳元素的化合价从-4升高到+4 (失电子) , CH4作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) 生成的CO2与KOH (过量) 要反应, 负极产物是CO32-。 (3) 正极反应的本质是:O2+4e-=2O2-, O2-在碱溶液中与H2O结合生成OH-, 电极反应式为O2+4e-+2H2O→4OH-;负极反应的本质是CH4-8e-→CO32-, CO32-的O元素来自于OH-, 电极反应式为CH4-8e-+10OH-→CO32-+7H2O, 总反应为CH4+2O2+2OH-→CO32-+3H2O。

例2:在燃料电池中, 以CH3OH和氧气为原料, 试写出其分别在酸性和碱性条件下的电极反应和总反应。

(1) 在酸性条件下:

正极:________负极:_______总反应:_______

(2) 在碱性条件下:

正极:_________负极:______总反应:________

(1) 在酸性条件下: (1) 燃烧反应:2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O, 碳元素的化合价从-2升高到+4 (失电子) , CH3OH作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) CO2、H2O与酸不反应, 负极产物是CO2。 (3) 根据正负极的反应物和产物, 遵循原子守恒、电荷守恒的原则即可以写出电极反应式。正极:3O2+12H++12e-=6H2O;负极:2CH3OH+2H2O-12e-=8CO2+12H+。总反应为:2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O。

(2) 在碱性条件下: (1) 燃烧反应:2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O, 碳元素的化合价从-2升高到+4 (失电子) , CH3OH作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) CO2与碱反应生成CO32-, 负极产物是CO32-。 (3) 正极电极反应式为:O2+4e-+2H2O→4OH-;负极反应的本质是CH3OH-6e-→CO32-, CO32-的O元素来自于OH-, 电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-→CO32-+6H2O。总反应为2CH3OH+3O2+4OH-→2CO32-+6H2O。

例3: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, 电解质溶液通常选用KOH。试写出该氢氧燃料电池的电极反应式和总反应的化学方程式。

正极:______负极:_____总反应:________

解析: (1) 燃烧反应:2H2+O2→2H2O, 氢元素的化合价从0升高到+1 (失电子) , H2作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) 正极反应的本质是:O2+4e-=2O2-, O2-在碱溶液中与H2O结合生成OH-;负极上氢气失去电子变成H+进入溶液, H+又与溶液中的OH-继续反应生成H2O。 (3) 正极电极反应式为:O2+4e-+2H2O→4OH-, 负极电极反应式为:2H2-4e-+4OH-=4H2O, 总反应为:2H2+O2=2H2O。

例4:铝、空气燃料电池通常以Na Cl溶液或Na OH溶液为电解液, 铝合金为负极, 空气电极为正极, 以Na OH溶液为电解液时负极反应是什么?总反应式是什么?以Na Cl溶液为电解液时, 负极反应是什么?总反应式是什么?

解析: (1) 当以N a O H溶液为电解液时: (1) 燃烧反应:4Al+3O2=2Al2O3, 铝元素的化合价从0升高到+3 (失电子) , Al作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) Al2O3与Na OH溶液反应, 最终以Na Al O2溶液存在。 (3) 正极:O2+2H2O+4e-=4OH-;负极:Al-3e-+4OH-=Al O2-+2H2O, 总反应为:4Al+3O2+4Na OH=4Na Al O2+2H2O。

(2) 当以Na Cl溶液为电解液时: (1) 燃烧反应:2Al+3O2=Al2O3, 铝元素的化合价从0升高到+3 (失电子) , Al作负极;氧元素的化合价从0降低到-2价 (得电子) , O2作正极。 (2) Al3+与Na Cl溶液能共存, 负极产物为Al3+。 (3) 负极:Al-3e-=Al3+;正极:O2+2H2O+4e-=4OH-, 因Al3+与OH-不能共存, 最终产物是Al (OH) 3, 所以, 总反应为:4Al+3O2+6H2O=4Al (OH) 3。