如何書寫燃料電池電極反應

2022-05-14 02:41:25 字數 3871 閱讀 2434

在中學階段,掌握燃料電池的工作原理和電極反應式的書寫是十分重要的。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的,其電極反應式的書寫也同樣是有規律可循的。書寫燃料電池電極反應式一般分為三步:

第一步,先寫出燃料電池的總反應方程式;第二步,再寫出燃料電池的正極反應式;第三步,在電子守恆的基礎上用燃料電池的總反應式減去正極反應式即得到負極反應式。下面對書寫燃料電池電極反應式“三步法”具體作一下解釋。

1、燃料電池總反應方程式的書寫

因為燃料電池發生電化學反應的最終產物與燃料燃燒的產物相同,可根據燃料燃燒反應寫出燃料電池的總反應方程式,但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池,其電池總反應方程式不隨電解質的狀態和電解質溶液的酸鹼性變化而變化,即2h2+o2=2h2o。若燃料是含碳元素的可燃物,其電池總反應方程式就與電解質的狀態和電解質溶液的酸鹼性有關,如甲烷燃料電池在酸性電解質中生成co2和h2o,即ch4+2o2=co2+2h2o;在鹼性電解質中生成co32-離子和h2o,即ch4+2oh-+2o2=co32-+3h2o。

2、燃料電池正極反應式的書寫

因為燃料電池正極反應物一律是氧氣,正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應,所以可先寫出正極反應式,正極反應的本質都是o2得電子生成o2-離子,故正極反應式的基礎都是o2+4e-=2o2-。正極產生o2-離子的存在形式與燃料電池的電解質的狀態和電解質溶液的酸鹼性有著密切的關係。這是非常重要的一步。

現將與電解質有關的五種情況歸納如下。

⑴電解質為酸性電解質溶液(如稀硫酸)

在酸性環境中,o2-離子不能單獨存在,可供o2-離子結合的微粒有h+離子和h2o,o2-離子優先結合h+離子生成h2o。這樣,在酸性電解質溶液中,正極反應式為o2+4h++4e-=2h2o。

⑵電解質為中性或鹼性電解質溶液(如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液)

在中性或鹼性環境中,o2-離子也不能單獨存在,o2-離子只能結合h2o生成oh-離子,故在中性或鹼性電解質溶液中,正極反應式為o2+2h2o +4e-=4oh-。

⑶電解質為熔融的碳酸鹽(如lico3和na2co3熔融鹽混和物)

在熔融的碳酸鹽環境中,o2-離子也不能單獨存在, o2-離子可結合co2生成co32-離子,則其正極反應式為o2+2co2 +4e-=2co32-。

⑷電解質為固體電解質(如固體氧化鋯—氧化釔)

該固體電解質在高溫下可允許o2-離子在其間通過,故其正極反應式應為o2+4e-=2o2-。

綜上所述,燃料電池正極反應式本質都是o2+4e-=2o2-,在不同電解質環境中,其正極反應式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應式時,要特別注意所給電解質的狀態和電解質溶液的酸鹼性。

3、燃料電池負極反應式的書寫

燃料電池負極反應物種類比較繁多,可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質。不同的可燃物有不同的書寫方式,要想先寫出負極反應式相當困難。一般燃料電池的負極反應式都是採用間接方法書寫,即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應式和正極反應式,然後在電子守恆的基礎上用總反應式減去正極反應式即得負極反應式。

燃料電池電極反應式的書寫應用舉例

1、電解質為酸性電解質溶液

例1、科學家預言,燃料電池將是21世紀獲得電力的重要途徑,美國已計劃將甲醇燃料用於軍事目的。一種甲醇燃料電池是採用鉑或碳化鎢作電極催化劑,在稀硫酸電解液中直接加入純化後的甲醇,同時向一個電極通入空氣。

試回答下列問題:

⑴這種電池放電時發生的化學反應方程式是 。

⑵此電池的正極發生的電極反應是 ;負極發生的電極反應是 。

⑶電解液中的h+離子向極移動;向外電路釋放電子的電極是 。

⑷比起直接燃燒燃料產生電力,使用燃料電池有許多優點,其中主要有兩點:首先是燃料電池的能量轉化率高,其次是 。

解析:因燃料電池電化學反應的最終產物與燃料燃燒的產物相同,又且其電解質溶液為稀硫酸,所以該電池反應方程式是2ch3oh+3o2=2co2+4h2o。 按上述燃料電池正極反應式的書寫方法1知,在稀硫酸中,其正極反應式為:

3o2+12h++12e-=6h2o,然後在電子守恆的基礎上利用總反應式減去正極反應式即得負極反應式為:2ch3oh+2h2o-12e-=2co2↑+12h+。由原電池原理知負極失電子後經導線轉移到正極,所以正極上富集電子,根據電性關係知陽離子向正極移動,陰離子向負極移動。

故h+離子向正極移動,向外電路釋放電子的電極是負極。

答案:⑴2ch3oh+3o2=2co2+4h2o

⑵正極3o2+12h++12e-=6h2o;負極2ch3oh+2h2o-12e-=2co2↑+12h+

⑶正;負 ⑷對空氣的汙染較小

2、電解質為鹼性電解質溶液

例2、甲烷燃料電池的電解質溶液為koh溶液,下列關於甲烷燃料電池的說法不正確的是 ( )

a、負極反應式為ch4+10oh--8e-=co32-+7h2o

b、正極反應式為o2+2h2o +4e-=4oh-

c、隨著不斷放電,電解質溶液鹼性不變

d、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量利用率大

解析:因甲烷燃料電池的電解質為koh溶液,生成的co2還要與koh反應生成k2co3,故該電池發生的反應方程式是ch4+2oh-+2o2=co32-+3h2o。從總反應式可以看出,要消耗oh-,故電解質溶液的鹼性減小,c錯。

按上述燃料電池正極反應式的書寫方法2知,在koh溶液中,其正極反應式為:o2+2h2o +4e-=4oh-。通入甲烷的一極為負極,其電極反應式可利用總反應式減去正極反應式為ch4+10oh--8e-=co32-+7h2o。

選項a、b均正確。根據能量轉化規律,燃燒時產生的熱能是不可能全部轉化為功的,能量利用率不高,而電能轉化為功的效率要大的多,d項正確。故符合題意的是c。

3、電解質為熔融碳酸鹽

例3、某燃料電池以熔融的k2co3(其中不含o2-和hco3-)為電解質,以丁烷為燃料,以空氣為氧化劑,以具有催化作用和導電效能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題:

⑴寫出該燃料電池的化學反應方程式。

⑵寫出該燃料電池的電極反應式。

⑶為了使該燃料電池長時間穩定執行,電池的電解質組成應保持穩定。為此,必須在通入的空氣中加入一種物質,加入的物質是什麼,它從**來?

解析:由於電解質為熔融的k2co3,且不含o2-和hco3-,生成的co2不會與co32-反應生成hco3-的,故該燃料電池的總反應式為: 2c4h10+13o2=8co2+10h2o。

按上述燃料電池正極反應式的書寫方法3知,在熔融碳酸鹽環境中,其正極反應式為o2+2co2 +4e-=2co32-。通入丁烷的一極為負極,其電極反應式可利用總反應式減去正極反應式求得,應為2c4h10+26co32--52e-=34co2+10h2o。從上述電極反應式可看出,要使該電池的電解質組成保持穩定,在通入的空氣中應加入co2,它從負極反應產物中來。

答案:⑴2c4h10+13o2=8co2+10h2o

⑵正極:o2+2co2 +4e-=2co32-,負極:2c4h10+26co32--52e-=34co2+10h2o

⑶co2 從負極反應產物中來

4、電解質為固體氧化物

例4、一種新型燃料電池,一極通入空氣,另一極通入丁烷氣體;電解質是摻雜氧化釔(y2o3)的氧化鋯(zro2)晶體,在熔融狀態下能傳導o2-。下列對該燃料電池說法正確的是 ( )

a. 在熔融電解質中,o2-由負極移向正極

b. 電池的總反應是:2c4h10+13o2 ? 8co2+10h2o

c. 通入空氣的一極是正極,電極反應為:o2+4e-=2o2-

d. 通入丁烷的一極是正極,電極反應為:c4h10+26e-+13o2-=4co2+5h2o

解析:本題以丁烷燃料電池為載體綜合考查了原電池原理涉及的有關“電子流向、電極反應式、總反應式”等內容,因正極上富集電子,根據電性關係,o2-不可能移向正極,a錯。由丁烷的燃燒反應及電解質的特性知該電池的總反應式為2c4h10+13o2 ?

8co2+10h2o,b正確。按上述燃料電池正極反應式的書寫方法5知,在熔融狀態下允許o2-在其間通過,故其正極反應式為o2+4e-=2o2-,c正確。通入丁烷的一極應為負極,d錯。

故符合題意的是b、c。