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燃料電池方程式知識匯總

鉅大LARGE  |  點擊量:8557次  |  2019年06月25日  

摘要
是原電池中一種比較特殊的電池,它與原電池形成條件有一點相悖,就是不一定兩極是兩根活動性不同的電極,也可以用相同的兩根電極。燃料電池有很多,下面主要介紹幾種常見的燃料電池,希望達到舉一反三的目的。

高中化學


是原電池中一種比較特殊的電池,它與原電池形成條件有一點相悖,就是不一定兩極是兩根活動性不同的電極,也可以用相同的兩根電極。燃料電池有很多,下面主要介紹幾種常見的燃料電池,希望達到舉一反三的目的。


燃料電池方程式書寫


燃料電池的電極反應(主要是負極的電極方程式)是一個難點。我們知道,一般的燃料電池大多是可燃性物質(主要是可燃性氣體)與氧氣及電解質溶液共同組成的原電池,雖然可燃性物質與氧氣在不同的電極反應,但其總反應方程式是可燃物在氧氣中燃燒。


由于涉及電解質溶液,所以燃燒產物可能還要與電解質溶液反應,再寫出燃燒產物與電解質溶液反應的方程式,從而得到總反應方程式。由于在反應中氧氣由0價變為-2價,所以肯定是O2得電子,即O2作氧化劑是正極,即可寫出正極的電極反應式:O2+4e+2H2O=4OH_①(該反應式為常見的絕大多數燃料電池的正極反應式)。


若此時電解質溶液為酸性,則反應過程可以理解為:正極上首先發生:O2+4e-=2O2-由于在酸性環境中大量存在H+故O2-會與H+結合成H20,故正極反應式應為:O2+4e-+4H+=2H2O②


若電解質為中性或堿性時,則正極反應式就只是①。此時負極反應式就可由總電極方程式減去正極的電極方程式得到(注意要將方程式中的氧氣抵消掉)。


(1)直接法書寫電極反應式:(以氫氧燃料電池為例)


解析:H2、O2燃料電池中反應實質為:2H2+O2=2HO


電極上H2-2e-=2H+O2+4e-=2O2+


在不同環境中H+、O2-會與電解質發生不同的反應,故電極反應也相應不同:


①、酸性環境中:H+能穩定存在,O2-會與H+結合成H20,


負極:2H2-4e-=4H+正極:O2+4H++4e-=2H2O


②、堿性環境中:H+不能穩定存在會與OH-結合成水,而O2-也不能穩定存在會與水結合形成OH-


負極:2H2-4e-+4OH-=4H20正極:O2+2H2O+4e-=4OH-


③、中性環境中:H+能穩定存在:02-會與H20結合成OH-:


負極:2H2-4e-=4H+正極:O2+2H20+4e-=4OH-


④、在能傳導O2-的固體電解質中:由于O2-能存在,而H+會與固體電解質中O2-結合形成水


負極:2H2-4e-+2O2-=2H2O正極:O2+4e-=2O2-


(2)加減法書寫電極方程式:


由甲醇和氧氣以及強堿作電解質溶液的新型手機電池。


解析:CH3OH+O2→CO2+H2O……①


但:CO2在堿性環境中不存在,會與OH-反應生成CO32-


CO2+2OH-=CO32-+H2O……②


故將①、②式進行疊加即為總反應:


2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O……③


由于正極反應式為:O2+2H2O+4e-=4OH_……④由于電解質溶液為堿性,所以正極的產物不再進一步反應,則負極的反應式為總反應方程式減去正極的反應式得到:


2CH3OH+3O2+4OH--3O2-6H2O-12e-=2CO32-+6H2O-12OH-


調整之后得(負極):CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O


幾種常見的燃料電池


一、氫氧燃料電池


氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑(Pt)或石墨做電極材料,負極通入H2,正極通入O2,總反應為:2H2+O2=2H2O。電極反應特別要注意電解質,有下列三種情況:


1.電解質是KOH溶液(堿性電解質)


負極發生的反應為:H2–2e-=2H+,2H++2OH-=2H2O,所以:負極的電極反應式為:H2–2e-+2OH-=2H2O;


正極是O2得到電子,即:2O2+4e-=2O2-,O2-在堿性條件下不能單獨存在,只能結合H2O生成OH-即:2O2-+2H2O=4OH-,因此,正極的電極反應式為:O2+H2O+4e-=4OH-。


2.電解質是H2SO4溶液(酸性電解質)


負極的電極反應式為:H2–2e-=2H+


正極是O2得到電子,即:O2+4e-=2O2-,O2-在酸性條件下不能單獨存在,只能結合H+生成H2O即:O2-+2H+=H2O,因此正極的電極反應式為:O2+4H++4e-=2H2O


3.電解質是NaCl溶液(中性電解質)


負極的電極反應式為:H2–2e-=2H+


正極的電極反應式為:O2+H2O+4e-=4OH-


說明:


1.堿性溶液反應物、生成物中均無H+


2.酸性溶液反應物、生成物中均無OH-


3.中性溶液反應物中無H+和OH-


4.水溶液中不能出現O2-


二、甲烷燃料電池


甲烷燃料電池以多孔鎳板為兩極,電解質溶液為KOH,生成的CO2還要與KOH反應生成K2CO3,所以總反應為:CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O。


負極發生的反應:CH4–8e-+8OH-=CO2+6H2OCO2+2OH-=CO32-+H2O,所以:


負極的電極反應式為:CH4+10OH-+8e-=CO32-+7H2O


正極發生的反應有:O2+4e-=2O2-和O2-+H2O=2OH-所以:


正極的電極反應式為:O2+2H2O+4e-=4OH-


說明:掌握了甲烷燃料電池的電極反應式,就掌握了其它氣態烴燃料電池的電極反應式。


三、甲醇燃料電池


甲醇燃料電池以鉑為兩極,用堿或酸作為電解質:


1.堿性電解質(KOH溶液為例)


總反應式:2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O


正極的電極反應式為:3O2+12e-+6H2O=12OH-


負極的電極反應式為:CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O


2.酸性電解質(H2SO4溶液為例)


總反應:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O


正極的電極反應式為:3O2+12e-+12H+=6H2O


負極的電極反應式為:2CH3OH-12e-+2H2O=12H++2CO2


說明:乙醇燃料電池與甲醇燃料電池原理基本相同


四、鋁–空氣–海水電池


我國首創以鋁–空氣–海水電池作為能源的新型海水標志燈,以海水為電解質,靠空氣中的氧氣使鋁不斷被氧化而產生電流。只要把燈放入海水中數分鐘,就會發出耀眼的白光。


電源負極材料為:鋁;電源正極材料為:石墨、鉑網等能導電的惰性材料。


負極的電極反應式為:


4Al-12e-=4Al3+;


正極的電極反應式為:


3O2+6H2O+12e-=12OH-


總反應式為:4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3


說明:鋁板要及時更換,鉑做成網狀是為了增大與氧氣的接觸面積。


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