燃料电池的电极反应反应式书写

◎柴爱群

一、理解燃料电池的原理

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。燃料为可燃气体或液体，例如化石燃料，以及由此得到的衍生物，如氢气、醇、烃、煤气等液体和气体燃料等；氧化剂仅限于氧气和空气。燃料电池基本结构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，但其电极本身仅起催化和集流作用。燃料电池工作时，活性物质由外部供给，因此，原则上说，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供应电能。

二、燃料电池电极反应的关键点

所有的燃料电池的工作原理都一样，其电极反应的书写同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式的步骤类似于普通原电池，在书写时应注意以下几点：

1.电池的负极一定是可燃性气体，失电子，元素化合价升高，发生氧化反应；电池的正极一定是助燃性气体，得电子，化合价降低，发生还原反应。

2.燃料电池两电极材料一般都不参加反应，参与反应的是通到电极材料上的燃料和氧气，两电极只是传导电子的作用。

3.电极反应式作为一种特殊的离子反应方程式，也必需遵循原子守恒，得失电子守恒，电荷守恒。

4.写电极反应时，一定要注意电解质是什么，其中的离子要和电极反应中出现的离子相对应（在碱性电解质中，电极反应不能出现氢离子；在酸性电解质溶液中，电极反应不能出现氢氧根离子），即注意电极生成离子与电解质继续反应。

三、燃料电池的书写技巧

1.常规技巧 书写燃料电池电极反应式难点就在负极反应上，所以我们可以先易后难，即先书写总反应，再书写正极反应，最后用总反应减正极反应即得负极反应。书写时注意反应产物与电解质的继续反应。

例1：氢氧燃料电池的电极书写

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。

（1）电解质溶液选用KOH

第一步：先书写总反应，总反应为：2H2+O2=2H2O（产物不与电解质反应）；

第二步：书写正极反应，正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH-（产物不与电解质反应）；

第三步：总反应减正极反应既得负极反应得负极反应

负极反应式为：2H2-4e-+4OH-=4H2O（产物不与电解质反应）；

（2）电解质溶液选用H2SO4

第一步：先书写总反应，总反应为：2H2+O2=2H2O（产物不与电解质反应）；

第二步：书写正极反应，正极反应有：O2+2H2O+4e-=4OH-；

产物与电解质反应：4OH-+4H+=4H2O；

总正极反应式：O2+4H++4e-=2H2O；

第三步：总反应减正极反应既得负极反应得负极反应

负极反应式为：H2-2e-=2H+

例2甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）

第一步：书写总反应，总反应为：CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O；

第二步：书写正极反应，正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH-；

第三步：总反应减正极反应既得负极反应得负极反应

负极反应式为：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O。

2.整合快速技巧 总结了以上电极反应后，我们可以总结出更简便快速的书写负极反应方法。综合分析发现：燃料电池负极反应式的模式是很规律的，即：燃料-ne-→酸性条件碳生成CO2；氢生成H+

碱性条件碳生成CO32-；氢生成H2O

书写步骤：

第一步：快算燃料转移电子数

方法：碳四氢一氧减二（既：一个碳原子失去4个电子；一个氢原子失去1个电子；燃料在含一个氧原子失去电子总数减去2个，可数出该燃料的失电子总数。）

如：CH4失去4+4=8个电子；C2H6O失去8+6-2=12个电子；CO失去4-2=2个电子。

甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），负极：CH4+-8e-=CO32-

甲烷燃料电池（电解质溶液选用H2SO4），负极：CH4-8e-=CO2

第二步：电荷守恒配平两边电荷

方法：电解质溶液为酸性——用H+；电解质溶液碱性——用OH-；

电解质溶液为熔融氧化物——用O2-；

甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），负极：CH4+10OH--8e-=CO32-

甲烷燃料电池（电解质溶液选用H2SO4），负极：CH4-8e-=CO2+8H+

第三步：原子守恒完成负极反应式书写

方法：补H2O配平氢氧原子

甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），负极：CH4+100H--8e-=CO32-+7H2O

甲烷燃料电池（电解质溶液选用H2SO4），负极：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

四、习题专练

（1）乙烷燃料电池（酸性/碱性）的负极反应式

（2）乙醇燃料电池（酸性/碱性）的负极反应式

（3）葡萄糖燃料电池（酸性/碱性）的负极反应式

（4）CO燃料电池（酸性/碱性）的负极反应式

习题是巩固的根本，只有通过习题的练习，学生才能得到巩固和提高；只有通过习题的练习，学生才能将所学知识贯彻领悟；只有通过习题的练习，学生才能将所学的知识融入到日常的生活中。

五、结语

总之，对于原电池的电极反应式的书写，最重要的是明白原电池的工作原理，这一点对学生来说不难理解，但是对于有电解质溶液参与的电极反应，学生们就不知如何是好。学生们能找到正负极，但写不出电极反应式，也知道“负极失电子正极得电子”，却忽略了得失电子变成离子后要进入溶液中。如果溶液中存在的离子与在正极、负极得失电子变成的离子不能共存，则要继续反应，反之，不反应共存于溶液中。如果能分析清楚这些，那么难题也就迎刃而解了。