求電解與燃料電池的方程式

【專(zhuān)家解說(shuō)】：S2＞Cl-＞OH-＞SO42- 一、有關(guān)燃料電池基本知識(shí)了解 1、定義： 燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒，將燃料化學(xué)能經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它和其它電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，都是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)發(fā)出火焰，其化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能，且廢物排放量很低。其中燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，這是我們書(shū)寫(xiě)燃料電池總反應(yīng)方程式的依據(jù)。 2、燃料電池的電極規(guī)定 燃料電池的兩極材料都是用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等兼有催化劑特性的惰性金屬，兩電極的材料相同。因此，燃料電池的電極是由通入氣體的成分來(lái)決定。通入可燃物的一極為負(fù)極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)。 3、燃料電池的電解質(zhì) 不同類(lèi)型的燃料電池可有不同種類(lèi)的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應(yīng)式就有不同的表示方法。因此，在書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式時(shí)要特別注意電解質(zhì)的種類(lèi)。 4、燃料電池的工作原理 以氫氧燃料電池為例，其工作原理是：氫氣（可燃物）從負(fù)極處失去電子（燃料被氧化掉），這些電子從外電路流到正極；同時(shí)，余下的陽(yáng)離子（氫離子）通過(guò)電解液被送到正極。在正極，離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從負(fù)極獲得電子。 5、燃料電池的優(yōu)點(diǎn) 作為二十一世紀(jì)改善人類(lèi)生活的“綠色電源”——燃料電池，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： ⑴燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過(guò)熱能這一種中間形式，所以它的電效率比其它任何形式的發(fā)電技術(shù)的電效率都高。 ⑵燃料電池的廢物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。 ⑶燃料電池中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)很安靜且無(wú)機(jī)械磨損。 總之，燃料電池是一種新型無(wú)污染、無(wú)噪音、高效率的汽車(chē)動(dòng)力和發(fā)電設(shè)備，其投入使用可有效的解決能源危機(jī)、污染問(wèn)題，是繼水力、火力、核能發(fā)電后的第四類(lèi)發(fā)電——化學(xué)能發(fā)電，被稱(chēng)為二十一世紀(jì)的“綠色電源”。 二、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法 在中學(xué)階段，掌握燃料電池的工作原理和電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)是十分重要的。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)也同樣是有規(guī)律可循的。書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式一般分為三步：第一步，先寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)方程式；第二步，再寫(xiě)出燃料電池的正極反應(yīng)式；第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負(fù)極反應(yīng)式。下面對(duì)書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式“三步法”具體作一下解釋。 1、燃料電池總反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě) 因?yàn)槿剂想姵匕l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類(lèi)。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 2、燃料電池正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě) 因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫(xiě)出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步?，F(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。 ⑴電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸） 在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨(dú)存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋4H++4e-=2H2O。 ⑵電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液） 在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋2H2O +4e-=4OH-。 ⑶電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物） 在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨(dú)存在， O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應(yīng)式為O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。 ⑷電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯—氧化釔） 該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過(guò)，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為O2＋4e-=2O2-。 綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O2＋4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)形式有所不同。因此在書(shū)寫(xiě)正極反應(yīng)式時(shí)，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。 3、燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě) 燃料電池負(fù)極反應(yīng)物種類(lèi)比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書(shū)寫(xiě)方式，要想先寫(xiě)出負(fù)極反應(yīng)式相當(dāng)困難。一般燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式都是采用間接方法書(shū)寫(xiě)，即按上述要求先正確寫(xiě)出燃料電池的總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負(fù)極反應(yīng)式。 三、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)應(yīng)用舉例 1、電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液 例1、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是21世紀(jì)獲得電力的重要途徑，美國(guó)已計(jì)劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時(shí)向一個(gè)電極通入空氣。 試回答下列問(wèn)題： ⑴這種電池放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是 。 ⑵此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)是 ；負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是 。 ⑶電解液中的H+離子向 極移動(dòng)；向外電路釋放電子的電極是 。 ⑷比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力，使用燃料電池有許多優(yōu)點(diǎn)，其中主要有兩點(diǎn)：首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高，其次是 。 解析：因燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，又且其電解質(zhì)溶液為稀硫酸，所以該電池反應(yīng)方程式是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。 按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法1知，在稀硫酸中，其正極反應(yīng)式為：3O2＋12H++12e-=6H2O，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負(fù)極反應(yīng)式為：2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H+。由原電池原理知負(fù)極失電子后經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)轉(zhuǎn)移到正極，所以正極上富集電子，根據(jù)電性關(guān)系知陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)。故H+離子向正極移動(dòng)，向外電路釋放電子的電極是負(fù)極。 答案：⑴2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O ⑵正極3O2＋12H++12e-=6H2O；負(fù)極2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H+ ⑶正；負(fù) ⑷對(duì)空氣的污染較小 2、電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液 例2、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，下列關(guān)于甲烷燃料電池的說(shuō)法不正確的是 （ ） A、負(fù)極反應(yīng)式為CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O B、正極反應(yīng)式為O2＋2H2O +4e-=4OH- C、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變 D、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量利用率大 解析：因甲烷燃料電池的電解質(zhì)為KOH溶液，生成的CO2還要與KOH反應(yīng)生成K2CO3，故該電池發(fā)生的反應(yīng)方程式是CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。從總反應(yīng)式可以看出，要消耗OH-，故電解質(zhì)溶液的堿性減小，C錯(cuò)。按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法2知，在KOH溶液中，其正極反應(yīng)式為：O2＋2H2O +4e-=4OH-。通入甲烷的一極為負(fù)極，其電極反應(yīng)式可利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式為CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O。選項(xiàng)A、B均正確。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能是不可能全部轉(zhuǎn)化為功的，能量利用率不高，而電能轉(zhuǎn)化為功的效率要大的多，D項(xiàng)正確。故符合題意的是C。 3、電解質(zhì)為熔融碳酸鹽 例3、某燃料電池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問(wèn)題： ⑴寫(xiě)出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式。 ⑵寫(xiě)出該燃料電池的電極反應(yīng)式。 ⑶為了使該燃料電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質(zhì)，加入的物質(zhì)是什么，它從哪里來(lái)？ 解析：由于電解質(zhì)為熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不會(huì)與CO32-反應(yīng)生成HCO3-的，故該燃料電池的總反應(yīng)式為： 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法3知，在熔融碳酸鹽環(huán)境中，其正極反應(yīng)式為O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。通入丁烷的一極為負(fù)極，其電極反應(yīng)式可利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式求得，應(yīng)為2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O。從上述電極反應(yīng)式可看出，要使該電池的電解質(zhì)組成保持穩(wěn)定，在通入的空氣中應(yīng)加入CO2，它從負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物中來(lái)。 答案：⑴2C4H10+13O2=8CO2+10H2O ⑵正極：O2＋2CO2 +4e-=2CO32-，負(fù)極：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O ⑶CO2 從負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物中來(lái) 4、電解質(zhì)為固體氧化物 例4、一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對(duì)該燃料電池說(shuō)法正確的是 ( ) A. 在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極 B. 電池的總反應(yīng)是：2C4H10＋13O2 ® 8CO2＋10H2O C. 通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O2＋4e-＝2O2- D. 通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：C4H10＋26e-＋13O2-＝4CO2＋5H2O 解析：本題以丁烷燃料電池為載體綜合考查了原電池原理涉及的有關(guān)“電子流向、電極反應(yīng)式、總反應(yīng)式”等內(nèi)容，因正極上富集電子，根據(jù)電性關(guān)系，O2-不可能移向正極，A錯(cuò)。由丁烷的燃燒反應(yīng)及電解質(zhì)的特性知該電池的總反應(yīng)式為2C4H10＋13O2 ® 8CO2＋10H2O，B正確。按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法5知，在熔融狀態(tài)下允許O2-在其間通過(guò)，故其正極反應(yīng)式為O2＋4e-=2O2-，C正確。通入丁烷的一極應(yīng)為負(fù)極，D錯(cuò)。故符合題意的是B、C。