高中化學(xué)：關(guān)于燃料電池的問(wèn)題

【專家解說(shuō)】：燃料電池工作原理： 當(dāng)今能以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的電力有火電、水電、核電等三種。而被譽(yù)為第四種電力的燃料電池發(fā)電，也正在美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家崛起，以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入能以工業(yè)規(guī)模發(fā)電的行列。 燃料電池的工作原理 燃料電池是一種化學(xué)電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點(diǎn)看，它和其他化學(xué)電池如錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反應(yīng)的物質(zhì)）--燃料和氧化劑，這又和其他普通化學(xué)電池不大一樣。由于它是把燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵觯员环Q為燃料電池。 具體地說(shuō)，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的"發(fā)電機(jī)"。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。最初，電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成，現(xiàn)在正發(fā)展為直接使用固體的電解質(zhì)。 工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。氫在負(fù)極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過(guò)程。 利用這個(gè)原理，燃料電池便可在工作時(shí)源源不斷地向外部輸電，所以也可稱它為一種"發(fā)電機(jī)"。 電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě) 書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式是學(xué)習(xí)電化學(xué)的基本功，也是高考和競(jìng)賽所必須掌握的知識(shí)點(diǎn)。一般來(lái)講，書(shū)寫(xiě)原電池的電極反應(yīng)式應(yīng)注意如下四點(diǎn)： 1、準(zhǔn)確判斷原電池的正負(fù)極 如果電池的正負(fù)極判斷失誤，則電極反應(yīng)式必然寫(xiě)錯(cuò)，這是正確書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式的前提。一般而言，較活潑的金屬成為原電池的負(fù)極，但不是絕對(duì)的。如將銅片和鋁片同時(shí)插入濃硝酸中組成原電池時(shí)，銅卻是原電池的負(fù)極被氧化，因?yàn)殇X在濃硝酸中表面產(chǎn)生了鈍化。此時(shí)，其電極反應(yīng)式為： 負(fù)極：Cu-2e- ==Cu2+ 正極：2NO3-+4H++2e-==2NO2+2H2O 又如將鎂鋁合金放入6mol/L的NaOH溶液中構(gòu)成原電池時(shí)，盡管鎂比鋁活潑，但鎂不和NaOH溶液反應(yīng)，所以鋁成為負(fù)極，其電極反應(yīng)式為： 負(fù)極：2Al+8OH—6e-==2AlO2-+4H2O 正極：6H2O+6e-==3H2+6OH- 2、高度注意電解質(zhì)的酸堿性 在正、負(fù)極上發(fā)生的電極反應(yīng)不是孤立的，它往往與電解質(zhì)溶液緊密聯(lián)系。如氫—氧燃料電池有酸式和堿式兩種，在酸溶液中負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4e-==4H+ 正極反應(yīng)式為：O2+4H++4e-==2H2O;如是在堿溶液中，則不可能有H+出現(xiàn)，在酸溶液中，也不可能出現(xiàn)OH-。又于CH4、CH3OH等燃料電池，在堿溶液中C元素以CO32-離子形式存在，而不是放出CO2。 3、牢牢抓住總的反應(yīng)方程式 從理論上講，任何一個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)均可設(shè)計(jì)成原電池。而兩個(gè)電極反應(yīng)相加即得總的反應(yīng)方程式。所以，對(duì)于一個(gè)陌生的原電池，只要知道總反應(yīng)方程式和其中的一個(gè)電極反應(yīng)式，即可迅速寫(xiě)出另一個(gè)電極反應(yīng)式。 4、不能忽視電子轉(zhuǎn)移數(shù)相等 在同一個(gè)原電池中，負(fù)極失去的電子數(shù)必等于正極得到的電子數(shù)，所以在書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)，要注意電荷守恒。這樣可以避免由電極反應(yīng)式寫(xiě)總反應(yīng)方程式，或由總反應(yīng)方程式改寫(xiě)成電極反應(yīng)式所帶來(lái)的失誤，同時(shí)，也可避免在有關(guān)計(jì)算中產(chǎn)生誤差。