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燃料电池电极反应式书写“五步曲”

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 燃料电池 电极反应式
一.燃料电池介绍 燃料电池是一种主要通过氧气或其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转换成电能的电池。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来,它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”,而是一个“发电厂”。燃

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一.燃料电池介绍

燃料电池是一种主要通过氧气或其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转换成电能的电池。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来,它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”,而是一个“发电厂”。燃料电池有别于原电池,因为需要穏定的氧和燃料来源,以确保其运作供电。此电池的优点是可以提供不间断的稳定电力,直至燃料耗尽。最常见的燃料电池就是氢氧燃料电池及一些有机物燃料电池。

二.燃料电池中O2-的处理方法总结

首先要明白的是燃料电池在书写的过程中要区分电解质溶液的区别,在酸性、碱性、熔融固态氧化物及熔融碳酸盐四种不同的介质中,电极反应式书写不同,这里涉及到O2的处理方式:

1.酸性介质:O2-+2H=H2O

2. 碱性介质:O2-+H2O=2OH

3.熔融碳酸盐介质:O2-+CO2=CO32

4.熔融固态氧化物介质:O2-不作处理

三.燃料电池在不同介质中正极电极反应式书写汇总

在掌握O2在不同介质中的处理方式以后,书写燃料电池的正极反应就变得非常容易,需要明白的是所有的燃料电池正极都发生还原反应,而且在同一介质中,正极反应的书写完全相同,下面是对正极反应式的书写汇总,大家可以结合以上O2-的处理方式进行理解

1.酸性(质子交换膜)燃料电池:O2+4e-+4H=2H2O

2.碱性燃料电池:O2+4e-+2H2O=4OH

3.熔融碳酸盐燃料电池:O2+4e-+2CO2=2CO32

4.熔融固态氧化物燃料电池:O2+4e-= 2O2-

四.燃料电池负极电极反应式书写“五步曲”,

以上燃料电池正极电极反应我们根据O2-在不同介质中的处理方式很容易写出,而负极电极反应式的书写可能会有难度,我今天要讲两种方法书写,第一种方法就是大多数同学能够掌握的总反应方程式减正极电极反应即为负极电极反应,而对于此方法存在的弊端之一就是有的同学不能够准确写出总反应方程式,弊端之二就是有的学生在减法过程中或者移项过程中由于粗心大意出现错误,我今天介绍的第二种方法很好的避免了这些问题,这就是我接下来所要讲的“五步曲”, “五步曲”的应用主要是在有机燃料电池,对于氢氧燃料电极反应式较简单,在这里不作说明。

(1)确定负极材料,即为电池中的燃料;

(2)确定燃烧后的产物:在酸性介质,熔融固态氧化物介质以及熔融碳酸盐介质中中为CO2,碱性介质中为CO32

(3)确定电子转移数;由燃料中的C的价态变为产物(CO2或CO32)中C的价态,化合价升高多少,则失去多少个e-

(4)电荷守恒;在酸性介质中,以H为中间体进行配平,使左右两边电荷守恒,碱性介质中,以OH为中间体进行配平,熔融碳酸盐介质中以CO32为中间体进行配平,熔融固态氧化物介质中以O2-为中间体进行配平

(5)氢氧守恒:使左右两边H和O个数相等,以H2O为载体进行配平。

下面就以甲烷燃料为例进行“五步曲”的练习

1.酸性(质子交换膜)燃料电池:①CH4-③8e-+⑤2H2O=②CO2+④8H

2.碱性燃料电池:①CH4-③8e-+④10OH=②CO32+⑤7H2O

3.熔融碳酸盐燃料电池:①CH4-③8e-+④4CO32= ②5CO2+⑤2H2O

4.熔融固态氧化物燃料电池:①CH4-③8e-+4O2-=②CO2+⑤2H2O

以上符号①②③④⑤分别代表“五步曲”中的每一步,具体解析如下:

①确定负极材料,即CH4

②确定燃烧后的产物,在碱性介质中为CO32,在其他三种介质中为CO2

③确定电子转移数;CH4中的C由-4价变为CO2或CO32中C的+4价,化合价升高8,则失去8e-

④电荷守恒;如上酸性介质中左边失去8e-,右边必然要带8个单位正电荷,所以加8H;碱性介质中,左边失去8e-,右边带两个单位负电荷,所以在左边加10OH使左右两边电荷守恒;在熔融碳酸盐介质中左边失去8e-,则在左边加4CO32使电荷守恒;在熔融固态氧化物介质中左边失去8e-,则在左边加4O2使左右两边电荷守恒。

⑤氢氧守恒:如上酸性介质中右边8H、2O,左边4H,为使氢氧守恒,则左边加2H2O;碱性介质中左边10O、14H,右边3O,为使氢氧守恒,则右边加7H2O;同理,另外两种介质中分别加2H2O使氢氧守恒。


【小试牛刀】请写出甲醇燃料电池在不同介质中的电极反应式及总反应方程式

【答案解析】

CH3OH燃料电池

酸性介质:

正极(还原反应):O2+4e-+ 4H= 2H2O

负极(氧化反应):CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H

总反应方程式:2CH3OH + 3O2=2CO2+4H2O

碱性介质:

正极(还原反应):O2+4e-+ 2H2O = 4OH

负极(氧化反应):CH3OH -6e-+8OH=CO32+6H2O

总反应方程式:2CH3OH + 3O2+4OH=2CO32+6H2O

熔融碳酸盐介质:

正极(还原反应) O2+4e-+ 2CO2= 2CO32

负极(氧化反应):CH3OH -6e-+3CO32= 4CO2+2H2O

总反应方程式:2CH3OH + 3O2= 2CO2+4H2O

熔融固态氧化物介质:

正极(还原反应) O2+4e-= 2O2-

负极(氧化反应):CH3OH -6e-+3O2-= 2CO2+2H2O

总反应方程式:2CH3OH + 3O2= 2CO2+4H2O

(根据以上介绍的“五步曲”进行理解)

(责任编辑:化学自习室)
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