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高三化學攻關三十六法之――燃料電池

燃料電池兩電極都不參加反應，反應的是通到電極上的燃料和氧氣，電極反應式的書寫有難度。

●難點磁場

請試做下列題目，然后自我界定學習本篇是否需要。

熔融鹽燃料電池具有高的發電效率，因而受到重視，可用Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融鹽混合物作電解質，CO為陽極燃氣，空氣與CO₂的混合氣為陰極助燃氣，制得在650 ℃下工作的燃料電池，完成有關的電池反應式：

負極反應式：2CO＋2CO4CO₂＋4e^－

正極反應式：                            。

總電池反應式：                          。

●案例探究

[例題]某原電池中盛有KOH濃溶液，若分別向________(填“正”或“負”，下同)極通入可燃性氣體，向________極通入O₂，則電路中就有電流通過，試完成下列問題：

可燃性

氣體

正極反應

負極反應

電池總反應

pH變化

(1)

H₂

(2)

H₂S

(3)

CO

(4)

CH₄

(5)

C₂H₄

(6)

C₂H₂

命題意圖：考查學生書寫燃料電池電極反應的能力。

知識依托：原電池原理和氧化還原反應原理。

錯解分析：忽視電解質溶液是KOH溶液，誤以為負極能放出酸性氣體。

解題思路：燃料電池中，負極通入的氣體具有可燃性，在反應中失去電子，被氧化到較高價態：氫元素將被氧化到最高價：＋1價，在堿性溶液中產物不是H^＋，而是H₂O――H^＋與OH^－結合的產物。

H₂S中硫元素，含碳物質中的碳元素將被氧化到＋4價，而＋4價的硫(或＋4價的碳)又不能單獨存在，在其常見形式SO₂和SO (或CO₂和CO)中，因周圍環境顯堿性生成酸性氧化物是不可能的，產物應為SO (或CO)，O^2－由誰來提供？顯然是OH^－，提供O^2－后裸離的H^＋怎么辦？與別的OH^－結合生成H₂O。若燃料中含有＋1價的氫元素，則它反應前后的價態不變(都是＋1價)，氫元素反應前在含碳燃料中，反應后在生成物水中。負極電極反應式可根據電荷守恒而配平。

燃料電池中，正極通入的O₂得電子被還原，成為O^2－。

O²－4e^－====2O^2－

O^2－被H₂O分子俘獲變為OH^－：

H₂O＋O^2－====2OH^－

將正、負兩極電極反應式疊加，可得電池總反應。根據電池總反應可判定電解質溶液pH的變化。

答案：

正極反應

負極反應

電池總反應

pH變化

(1)

O₂＋4e^－＋2H₂O====4OH^－

H₂－2e^－＋2OH^－====2H₂O

2H₂＋O₂====2H₂O

變小

(2)

H₂S－6e^－＋8OH^－====SO＋5H₂O

2H₂S＋3O₂＋4OH^－====2SO＋4H₂O

變小

(3)

CO－2e^－＋4OH^－====CO＋2H₂O

2CO＋O₂＋4OH^－====2CO＋2H₂O

變小

(4)

CH₄－8e^－＋10OH^－====CO＋7H₂O

CH₄＋2O₂＋2OH^－====CO＋3H₂O

變小

(5)

C₂H₄－12e^－＋16OH^－====2CO＋10H₂O

C₂H₄＋3O₂＋4OH^－=====2CO＋4H₂O

變小

(6)

C₂H₂－10e^－＋14OH^－====2CO＋8H₂O

2C₂H₂＋5O₂＋8OH^－====4CO＋6H₂O

變小

●錦囊妙計

燃料電池的負極反應，一般較難寫出，而正極反應和電池總反應卻較易寫出。用電池總反應減去正極反應可得負極反應，這是寫負極反應式的一種巧妙方法。

●殲滅難點訓練

1.(★★★)將例題中的惰性電極改為Al電極和Mg電極，并停止通氣體，則：

(1)正極反應為：                  ；

(2)負極反應為：                  ；

(3)電極總反應式為：________；電解質溶液的pH變化為：________(填“增大”“不變”或“變小”)。

2.(★★★★)將例題中的“KOH(aq)”改為：稀H₂SO₄，其他同例題，試回答前(4)問。

3.(★★★★)將Al、Fe兩電極分別插入盛有稀HNO₃的電解質溶液中組成原電池，試回答1題中三個問題。

4.(★★★★★)將Al、Cu兩電極分別插入盛有18.4 mol?L^－1的H₂SO₄(aq)中組成原電池，試回答1中三問。

難點磁場

提示：原電池中，正極上富余電子，通入正極上的O₂得到電子：

O₂＋4e^－====2O^2－

O^2－半徑很小，在熔鹽中不能單獨存在，被CO₂分子俘獲：

CO₂＋O^2－====CO

將正、負兩極上的電極反應式疊加，可得總反應方程式。

答案：O₂＋2CO₂＋4e^－====2CO

2CO＋O₂====2CO₂

殲滅難點訓練

1.提示：堿性溶液中，Al比Mg活潑，負極上Al失去電子。正極上H₂O得電子，逸出H₂，生成OH^－。

答案：(1)6H₂O＋6e^－====6OH^－＋3H₂↑(或6H^＋＋6e^－====3H₂↑)

(2)2Al－6e^－＋8OH^－====2AlO＋4H₂O

(3)2Al＋2OH^－＋2H₂O====2AlO＋3H₂↑      變小

2.提示：負極上，H₂、H₂S、CO、CH₄失電子，分別生成H^＋、H^＋和SO₂、CO₂、H^＋和CO₂，產物中O原子由H₂O提供。正極上，O₂得電子變為O^2－，O^2－與H^＋結合生成H₂O。

如果有水生成，溶液的濃度和pH都會發生變化。

答案：

正極反應

負極反應

電池總反應

pH變化

(1)

O₂＋4e^－＋4H⁺====2H₂O

H₂－2e^－===2H⁺

2H₂＋O₂====2H₂O

變大

(2)

H₂S－6e^－＋2H₂O====

SO₂↑＋6H⁺

2H₂S＋3O₂====2SO↑＋2H₂O

變大

(3)

CO－2e^－＋H₂O====

CO₂↑＋2H⁺

2CO＋O₂====CO₂↑

不變

(4)

CH₄－8e^－＋2H₂O====

CO₂↑＋8H⁺

CH₄＋2O₂====CO₂↑＋2H₂O

變大

3.提示：活潑金屬Al失電子變成Al^3＋，電子由負極流向正極，正極上NO (而非H^＋)得電子變成NO逸出，同時有H^＋參加反應，與NO的另外2個－2價的O原子結合成H₂O分子。

答案：(1)4H^＋＋NO＋3e^－====2H₂O＋NO↑

(2)Al－3e^－====Al^3＋

(3)Al＋4H^＋＋2NO====Al^3＋＋2H₂O＋NO↑  變大

4.解析：活潑金屬Al在濃硫酸中鈍化，Cu作負極失去電子成為Cu^2＋，電子流向正極，正極上溶液中的H₂SO₄分子得到電子變為H₂O和SO₂。由于純硫酸的電離度大于純水的電離度。而在水參加的電極反應式中，H₂O分子可拆為H^＋和OH^－，所以濃硫酸參加的電極反應式中，H₂SO₄分子可拆成H^＋和SO；而依照離子方程式的寫法，可知在電池反應中H₂SO₄分子不能拆分為離子。

因為電池反應中，H₂SO₄被消耗，且有H₂O生成，所以H₂SO₄逐漸變稀，c(H^＋)逐漸變大，pH逐漸變小，直至濃H₂SO₄變成稀H₂SO₄，Cu與稀H₂SO₄不再發生反應。但這時Al與稀H₂SO₄發生反應，負極上Al失電子變為Al^3＋，正極上H^＋得電子變為H₂。稀H₂SO₄被消耗，c(H^＋)變小，pH變大。

答案：(1)開始：4H^＋＋SO＋2e^－====2H₂O＋SO₂↑，后來：2H^＋＋2e^－====H₂↑

(2)開始：Cu－2e^－====Cu^2＋，后來：Al－3e^－====Al^3＋

(3)開始：Cu＋2H₂SO₄(濃)====CuSO₄＋2H₂O＋SO₂↑，后來：2Al＋3H₂SO₄(稀)====

Al₂(SO₄)₃＋3H₂↑ 先變小后變大