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有关燃料电池的电极反应式和电池的总反应式的书写是考试的热点,也是一个教学难点.同学们常常因题中结合了一些新信息,增加了陌生度,而在解题时无从下手.其实只要利用原电池的原理进行分析,还是不难解答的.下面结合笔者的经验归纳这类试题的解题方法.
一、有关燃料电池题的解题规律和技巧
1.理解燃料电池的工作原理
一般的燃料电池,两电极材料均为惰性电极(本身不参与反应,仅作导电的载体),大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸汽)与氧气及电解质溶液共同组成的原电池.可燃性物质在电池负极失去电子发生氧化反应,氧气在原电池正极得到电子发生还原反应.
2 .理顺燃料电池电极反应的书写步骤
(1)先写出燃料电池总反应
虽然可燃性物质与氧气在不同的电极上反应,但其总反应方程式应该是可燃物在氧气中燃烧.当然由于涉及电解质溶液,所以还要考虑燃烧产物可能与电解质溶液反应,然后再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式,得到电池的总反应方程式.
(2)再写出燃料电池正极的电极反应
由于燃料电池正极一般都是 O2得电子发生还原反应,所以燃料电池正极的电极反应都相似.结合考虑电解质环境,正极的电极反应一般有以下两种情况:
①当电解质为碱性或中性环境时,正极的电极反应为:O2+4e- +2H2O= 4OH-.
②当电解质为酸性环境时,正极的电极反应为:O2+4e- +4H+=2H2O.
(3)最后写出燃料电池负极的电极反应
由于原电池是将氧化还原反应中的氧化反应和还原反应分别在两极(正、负两极)上发生,故燃料电池负极的电极反应=燃料电池总反应-燃料电池正极的电极反应.
二、典型例题解析
【例1】熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混合气为正极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池.完成有关的电池反应式:
负极电极反应式:2CO+2CO32--4e-= 4CO2.
正极电极反应式: .
总电池反应式: .
思路点拨:本题属于源于教材又高于教材的题型,从通常原电池的电解质溶液,过渡到熔融盐,不少考生无法适应,当年高考该题失分严重.其实,我们只要从原电池的原理出发,先写出总电池反应式,问题就迎刃而解.CO为负极燃气,空气与CO2为正极助燃气.因此,总电池反应为:2CO+O2=2CO2.由于各电极反应之和为总电池反应式,故可由总电池反应式减去负极电极反应式,得出正极电极反应式:O2-2CO32-+4e-=-2CO2,将物质前的“-”号变为“+”号,就可得出结果:O2+2CO2+4e-=2CO32-.
点评:在写比较复杂的化学电池的电极反应式时,一定不要忘记各电极反应式之和为总电池反应式,即通过逆向思考,得出正极反应式应为总反应式减去负极反应式.
【例2】燃料在电池中直接氧化而产生电能的装置叫燃料电池,它是一种高效低污染的新型电池.燃料电池所用燃料可以是氢气,也可以是其他燃料,如甲醇、肼等.肼分子(H2N-NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水,回答下列问题:
(1)利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池,请写出该电池反应的电极反应式
和总反应式;并指出电解质溶液中,OH-离子向哪极移动.
思路点拨:此题利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池.根据上面介绍的解题规律,可知正极的电极反应为:O2+4e- +2H2O= 4OH-.此电池总反应实为肼在氧气中燃烧:H2N-NH2+ O2 =N2 + 2H2O.由总的反应式减去正极反应式,可得负极反应式为:H2N-NH2+4OH--4e-= N2+点评:虽然肼在中学化学中没有详细介绍过,但只要紧紧抓住有关原电池的原理加以分析便可以正确作答.还可以延伸到诸如:①甲烷燃料电池(KOH溶液为电解质溶液),电极反应为,负极:CH4+10OH--8e-= CO32-+7H2O,正极:2O2+4H2O+8e-=8OH-,电池总反应式:CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O.②甲醇燃料电池(电解质为酸性,可采用硫酸),电极反应为,负极:
2CH3OH +2H2O-12e- =2CO2 + 12H+ ,正极:3O2 + 12H+ + 12e- =6H2O ,电池总反应式:2CH3OH + 3O2=2CO2 + 4H2O .
(责任编辑 廖银燕)
一、有关燃料电池题的解题规律和技巧
1.理解燃料电池的工作原理
一般的燃料电池,两电极材料均为惰性电极(本身不参与反应,仅作导电的载体),大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸汽)与氧气及电解质溶液共同组成的原电池.可燃性物质在电池负极失去电子发生氧化反应,氧气在原电池正极得到电子发生还原反应.
2 .理顺燃料电池电极反应的书写步骤
(1)先写出燃料电池总反应
虽然可燃性物质与氧气在不同的电极上反应,但其总反应方程式应该是可燃物在氧气中燃烧.当然由于涉及电解质溶液,所以还要考虑燃烧产物可能与电解质溶液反应,然后再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式,得到电池的总反应方程式.
(2)再写出燃料电池正极的电极反应
由于燃料电池正极一般都是 O2得电子发生还原反应,所以燃料电池正极的电极反应都相似.结合考虑电解质环境,正极的电极反应一般有以下两种情况:
①当电解质为碱性或中性环境时,正极的电极反应为:O2+4e- +2H2O= 4OH-.
②当电解质为酸性环境时,正极的电极反应为:O2+4e- +4H+=2H2O.
(3)最后写出燃料电池负极的电极反应
由于原电池是将氧化还原反应中的氧化反应和还原反应分别在两极(正、负两极)上发生,故燃料电池负极的电极反应=燃料电池总反应-燃料电池正极的电极反应.
二、典型例题解析
【例1】熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混合气为正极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池.完成有关的电池反应式:
负极电极反应式:2CO+2CO32--4e-= 4CO2.
正极电极反应式: .
总电池反应式: .
思路点拨:本题属于源于教材又高于教材的题型,从通常原电池的电解质溶液,过渡到熔融盐,不少考生无法适应,当年高考该题失分严重.其实,我们只要从原电池的原理出发,先写出总电池反应式,问题就迎刃而解.CO为负极燃气,空气与CO2为正极助燃气.因此,总电池反应为:2CO+O2=2CO2.由于各电极反应之和为总电池反应式,故可由总电池反应式减去负极电极反应式,得出正极电极反应式:O2-2CO32-+4e-=-2CO2,将物质前的“-”号变为“+”号,就可得出结果:O2+2CO2+4e-=2CO32-.
点评:在写比较复杂的化学电池的电极反应式时,一定不要忘记各电极反应式之和为总电池反应式,即通过逆向思考,得出正极反应式应为总反应式减去负极反应式.
【例2】燃料在电池中直接氧化而产生电能的装置叫燃料电池,它是一种高效低污染的新型电池.燃料电池所用燃料可以是氢气,也可以是其他燃料,如甲醇、肼等.肼分子(H2N-NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水,回答下列问题:
(1)利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池,请写出该电池反应的电极反应式
和总反应式;并指出电解质溶液中,OH-离子向哪极移动.
思路点拨:此题利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池.根据上面介绍的解题规律,可知正极的电极反应为:O2+4e- +2H2O= 4OH-.此电池总反应实为肼在氧气中燃烧:H2N-NH2+ O2 =N2 + 2H2O.由总的反应式减去正极反应式,可得负极反应式为:H2N-NH2+4OH--4e-= N2+点评:虽然肼在中学化学中没有详细介绍过,但只要紧紧抓住有关原电池的原理加以分析便可以正确作答.还可以延伸到诸如:①甲烷燃料电池(KOH溶液为电解质溶液),电极反应为,负极:CH4+10OH--8e-= CO32-+7H2O,正极:2O2+4H2O+8e-=8OH-,电池总反应式:CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O.②甲醇燃料电池(电解质为酸性,可采用硫酸),电极反应为,负极:
2CH3OH +2H2O-12e- =2CO2 + 12H+ ,正极:3O2 + 12H+ + 12e- =6H2O ,电池总反应式:2CH3OH + 3O2=2CO2 + 4H2O .
(责任编辑 廖银燕)