燃料电池电极反应方程式书写技巧

谈谈原电池电极反应式的书写技巧

一般来说，原电池电极反应式的书写应注意一下四点：

1.首先判断原电池的正负极

如果电池的正负极判断失误，则电极反应必然写错。一般来说，较活泼的金属失去电子，为原电池的负极，但不是绝对的。如镁片和铝片插入氢氧化钠溶液中组成的原电池虽然镁比铝活泼，但由于铝和氢氧化钠溶液反应失去电子被氧化，因而铝是负极，此时的电极反应为：

－

负极：2Al－6e=== 2Al3+

－－－－－

正极：6H2O +6e=== 6OH+3H2↑ 或 2Al3++2H2O +6e+ 2OH=== 2AlO2 + 3H2↑

再如，将铜片和铝片同时插入浓硝酸中组成原电池时，由于铝在浓硝酸中发生了钝化，铜却失去电子是原电池的负极被氧化，此时的电极反应为：

－

负极：Cu－2e=== Cu2+

－－

正极：2NO3 + 4H+ +2e=== 2NO2↑+2H2O

2.要注意电解质溶液的酸碱性

在正负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系。如氢－氧燃料电池就分酸式和碱式两种，在酸性溶液中的电极反应：

－

负极：2H2－4e=== 4H +

－

正极O2 + 4H+ + 4e=== 2H2O

－

如果是在碱性溶液中，则不可能有H+出现，同样在酸性溶液中，也不能出现OH。由于CH4、

－

CH3OH等燃料电池在碱性溶液中，碳元素是以CO32离子形式存在的，故不是放出CO2。

3.还要注意电子转移的数目

在同一个原电池中，负极失去电子的总数一定等于正极得到电子的总数，所以在书写电极反应式时，要注意电荷守恒。这样可避免在有关计算时产生错误或误差，也可避免由电极反应式写总反应方程式或由总方程式改写电极反应式时所带来的失误。

4.抓住总的反应方程式

从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池。而两个电极相加即得总的反应方程式。所以对于一个陌生的原电池，只要知道总的反应方程式和其中的一个电极反应式，就可写出另一个电极反应式。

举例分析：

【例题1】CH3OH和O2在KOH溶液中组成燃料电池，该电池的负极反应式为_____。

解析：第一步：找氧化还原反应中的对应关系：氧化剂——还原产物；还原剂——氧化产物，

－

在负极反应。即：负极：CH3OH（还原剂）→ CO32 （氧化产物）

第二步：分析电子转移的物质的量，CH3OH中碳元素为－2价，CO2－ 3中碳元素为+4价，

－－

1 mol CH3OH转移6 mol电子。即负极：CH3OH→ CO32 + 6e

第三步：依据电荷原理配平以上电极反应式，缺少的物质从反应介质中寻找。因为该电池为

－

碱性电池，而且左右相差8 mol负电荷，所以应该在左边添加8 mol OH。即：

－－－

负极：CH3OH + 8OH === CO32 + 6e

－－

第四步：OH或H+ 与H2O为对应关系，即一边有OH或H+，则另一边有H2O。所以负极反应式为：

－－－－－

CH3OH + 8OH === CO32- + 6e + 6H2O或CH3OH－6e+ 8OH === CO32 + 6H2O

－－－－－－

答案：CH3OH + 8OH=== CO32 + 6e+ 6H2O或CH3OH－6e+ 8OH=== CO32 + 6H2O

变式 若将KOH的碱性反应环境变为酸性环境，则该电池的负极反应式为_____。

解析：还原剂为CH3OH，氧化产物为CO2，在负极1 mol CH3OH生成CO2共转移6 mol 电子，在上题第三步中需要在右边添加6 mol H+，在第四步中应该有1 mol H2O参加反应，即

－

负极电极反应式为CH3OH + H2O === CO2↑+ 6e+6H+ 或

－

CH3OH－ 6e+H2O === CO2↑+ 6H+

－－

答案：CH3OH + H2O === CO2↑+ 6e+6H+ 或CH3OH－ 6e+H2O === CO2↑+ 6H+

【例题2】可用于电动汽车的铝－空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是

－－

A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应式为：O2 + 2H2O + 4e ＝ 4OH

－－

B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al + 3OH－3e ＝ Al(OH)3↓

C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变

D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极

解析：电解质溶液显碱性或中性，该燃料电极的正极发生反应为：

－－

O2 +2H2O + 4e ＝ 4OH，A对；铝作负极，负极反应应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为：

－－－

Al + 4OH－3e＝AlO2 + 2H2O，故B错； 该电池在碱性条件下消耗了碱，反应式为

－－

4Al + 3O2 + 4OH ＝ 4AlO2+ 2H2O，溶液pH降低，因此C错；电池工作时，电子从负极出来经过外电路流到正极，又称D错。

答案：A

跟踪练习

练习1. 据报道，摩托罗拉公司的一种以甲醇为原料，以KOH为电解质的用于手机的可充电的高效燃料电池，充一次电可持续使用一个月。 （1）关于该电池的叙述错误的是_____________.

－

① 放电时，正极反应为：O2 + 4e + 4H+ === 2H2O

－－－

② 放电时，负极反应为：CH3OH－6e+ 8OH === CO32 + 6H2O

③ 充电时，原电池的负极与电源的正极相连接

－－

④ 充电时，阴极反应为：4OH－4e === 2H2O + O2↑

（2）若以熔融的K2CO3为电解质，阳极充入CO2与O2的混合气体。试写出该燃料电池的电极反应式：负极______________________；正极________________________。

解析：（1）放电时，正极是O2得电子，但溶液是碱性的，电极反应式是：

－－

O2 + 4e+ 2H2O === 4OH。充电时，原电池的负极与电源的负极相连接，让发生了氧化反应的原电池的负极被还原，

－－－

阴极发生的是得电子的还原反应，即CO32+ 6e+ 6H2O === CH3OH + 8OH。

－

（2）熔融的K2CO3为电解质时，电极反应中只有 CO32 参与反应或作为产物，没有H+、－

OH。

－－－

答案：（1）①③④ （2）负极：CH3OH－6e+ 8OH=== CO32+ 6H2O；

－－

正极：O2 + 4e+ 2H2O === 4OH。

练习2. 市场上经常见到的标记为Li—ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li+ 的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为：

下列说法不正确的是

－

A．放电时，负极的电极反应式：Li－e=== Li +

B．充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应

C．该电池不能用水溶液作为电解质

D．放电过程中Li+ 向负极移动

解析：A项Li从零价升至正价，失去电子，作为负极，故正确；B项反应逆向进行时。反应物只有一种，故化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应又发生还原反应，故正确；C项由于Li可以与水反应，故电解质应为非水材料正确；D项原电池中阳离子应迁移至正极失电子，故错误。

答案：D

练习3．（2011浙江高考）将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。下列说法正确的是

－

A．液滴中的Cl由a区向b区迁移

－－

B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2 + 2H2O + 4e=== 4OH

＋－

C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2由a区向b区迁移，与b区的OH形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈

D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应

－＋

为：Cu－2e=== Cu2

－－

解析：液滴边缘O2多，在碳粒上发生正极反应O2 + 2H2O + 4e=== 4OH。液滴下的Fe发生负极反应，

－＋－

Fe－2e=== Fe2，为腐蚀区（a）。A选项错误，Cl由b区向a区迁移；B选项正确；C选项错误，液滴下的Fe因发生氧化反应而被腐蚀；D选项错误，Cu更稳定，作正极，反应为

－－

O2 + 2H2O + 4e=== 4OH。

答案：B