高二化學(xué)燃料電池專題

1、燃料電池專題我在這里給同學(xué)們梳理一下燃料電池的原理，主要是解決正負(fù)極電極方程式書寫的問題。一、預(yù)備知識（如果你必修階段掌握良好可跳過這一部分）燃料電池說到底還是原電池，我們在這里先復(fù)習(xí)下必修2中cu-zn原電池的原理。1. 看構(gòu)造如上圖，原電池主要由cu片、zn片、稀h2so4、導(dǎo)線等構(gòu)成。2. 談現(xiàn)象zn片是銀白色的，在放電過程中溶解。cu片是紫紅色的，在放電過程中表面有氣泡冒出。3. 說原理zn比cu金屬性強(qiáng)（更活潑），即更容易失去電子，導(dǎo)線連接之后，zn的電子優(yōu)先選擇沿著導(dǎo)線跑到銅片表面去排隊(duì)1而不是直接跳到溶液里。zn由于失去電子被氧化形成zn2+，就脫離了zn片表面溶解在了溶液里，z

2、n片就不斷變薄變細(xì)。我們把zn這一極稱為負(fù)極，電極方程式是zn-2e-=zn2+。與此同時，另一極cu的表面由于有電子在那兒排隊(duì)，而顯負(fù)電，就會吸引溶液中的陽離子h+向該極移動，這些陽離子獲得那些排隊(duì)的電子生成h2，于是就有氣泡冒出。我們把cu這一極稱為正極，電極方程式是2h+2e-=h24. 小結(jié)cu-zn原電池（稀h2so4作為電解質(zhì)）zn是負(fù)極，失去電子，被氧化，電極方程式zn-2e-=zn2+。cu是正極，h+在其表面得電子，被還原，電極方程式2h+2e-=h2?？偡磻?yīng)式是zn+2h+=zn2+h2要小心，不要想當(dāng)然地認(rèn)為zn失去電子則cu得電子，cu雖然金屬性不強(qiáng)但畢竟仍然是金屬，且

3、是電的良導(dǎo)體（家里的電線、電話線、網(wǎng)線），說明了它表面的電子還是很容易移動的，因此它不會自己得電子形成帶負(fù)電的離子。1：注意，我這里說電子排隊(duì)只是形象地打個比方便于理解，給中學(xué)生講課是可以這么講的，實(shí)際上只有當(dāng)回路接通的時候才會有電子跑到銅片上去。而之所以有這樣的一個接通回路就會定向移動應(yīng)該是電勢差u造成的。二、氫氧燃料電池最簡單的燃料電池下面是該電池的原理圖：1. 看構(gòu)造這個電池由兩個惰性電極pt（金屬鉑）、導(dǎo)線等構(gòu)成。左右兩半溶液槽用隔膜隔開（允許部分離子通過，如陰離子半透膜只允許陰離子通過，不會完全隔斷，否則就行不成閉合回路了）。2. 談原理左右分別有一條導(dǎo)氣管，將h2和o2輸送到pt電

4、極附近。由于pt的特性如表面多孔，可以吸附氣體，所以這些輸送進(jìn)去的氣體不會立刻浮出水面，而是附著在pt電極表面。我們知道h2跟o2相比，前者是還原性氣體，后者是氧化性氣體。也就是說前者容易失去電子，后者容易得到電子。于是，跟我們之前cu-zn原電池類似就有：h2作負(fù)極反應(yīng)物，失去電子，被氧化，生成h+。但是電極方程式卻不一定是h2-2e-=2h+。為什么呢？因?yàn)殡娊庖旱乃釅A性不知道。如果電解液為酸性或者中性，這些h+是可以在其中大量存在的，則電極方程式就是前面這個。但如果電解液是堿性的，如koh溶液，這些生成的h+就會馬上被中和掉生成h2o。因此，此時的電極反應(yīng)就是兩步，即h2-2e-=2h+

5、和2h+2oh-=2h2o，兩步合起來就是h2-2e-+2oh-=2h2o。與此同時，o2作為正極反應(yīng)物，得到電子，被還原，生成o2-。但電極方程式不是o2+4e-=2o2-。為什么呢？因?yàn)閛2-是一種很不穩(wěn)定的離子。而此時電解液如果是酸性的o2-就會立刻結(jié)合h+生成h2o。即此時的電極反應(yīng)又是兩步：o2+4e-=2o2-和2o2-+4h+=2h2o，兩步合起來就是o2+4e-+4h+=2h2o。而如果此時電解液是中性或者堿性，h+極少，o2-就會跟h2o反應(yīng)生成oh-，即2o2-+2h2o=4oh-，則這種情況下的電極方程式就是o2+4e-=2o2-和2o2-+2h2o=4oh-，兩步合起來

6、就是o2+4e-+2h2o=4oh-。3. 小結(jié)電解液為酸性電解液為堿性負(fù)極反應(yīng)式h2-2e-=2h+h2-2e-+2oh-=2h2o正極反應(yīng)式o2+4e-+4h+=2h2oo2+4e-+2h2o=4oh-總反應(yīng)式2h2+o2=2h2o2h2+o2=2h2o4. 簡便教法強(qiáng)烈建議我們的老師要鉆研之前的那個原理，在教學(xué)中要結(jié)合原理教學(xué)，這個簡便教法是助學(xué)、助記法，是不能發(fā)展思維的，如果一來就按照這樣去教，是不符合我們新課程理念的，是做題術(shù)的教學(xué)。而實(shí)際上如果按照前面的原理進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生達(dá)到一定熟練程度后是可以自動想到這些技巧的，這符合認(rèn)知規(guī)律，是把人教聰明的教學(xué)。請各位老師切記切記。既然叫燃料電

7、池，顧名思義，就跟它的燃燒有些關(guān)系。雖然在反應(yīng)中并沒有真的燃起來（溶液中怎么可能有火呢），但看總反應(yīng)式正好就是它燃燒的那個反應(yīng)式（但不寫點(diǎn)燃）。由此，我們在寫電極反應(yīng)式時可以時時想到這個熟悉的2h2+o2=2h2o，最后寫完了電極方程式也請你加起來看看是不是這個總的。負(fù)極方面：h2-2e-=2h+，酸性電解液時，h+不被中和，所以就這樣了。堿性電解液時，h+被中和，于是還有第二步2h+2oh-=2h2o，因此電極方程式就是這兩步之和h2-2e-+2oh-=2h2o。正極方面：o2+4e-=2o2-，酸性電解液時，o2-結(jié)合h+生成水2o2-+4h+=2h2o（也可以理解為先生成oh-但不會僅僅

8、停留在生成oh-的時候而是進(jìn)一步生成水）。堿性電解液時，2o2-+2h2o=4oh-。要小心此時o2-不是跟oh-反應(yīng)的（盡管此時是堿性，oh-濃度大），你可以理解為同性電荷相斥，o2- 與oh-都帶負(fù)電，所以不能跑到一塊兒去。二、甲烷燃料電池中檔難度的燃料電池構(gòu)造圖與氫氧燃料電池類似。負(fù)極反應(yīng)物是ch4，正極反應(yīng)物是o2。負(fù)極方面：ch4失去全部成鍵電子，ch4-8e-=c4+4h+。與o2-類似，c4+很不穩(wěn)定，這時候又要看電解液的酸堿性了。如果是酸性或中性，c4+2h2o=co2+4h+，而ch4中那幾個+1價的h原子也能“安然無恙”地以h+形式存在了。此時的電極反應(yīng)有兩步，ch4-8e

9、-=c4+4h+和c4+2h2o=co2+4h+，兩步合起來就是ch4-8e-+2h2o=co2+8h+。而如果此時電解液是堿性（如koh溶液），則第一步失去電子ch4-8e-=c4+4h+后，c4+及h+結(jié)合的都是oh-，即c4+4oh-=co2+2h2o，且4h+4oh-=4h2o。而生成的co2是個酸性氣體又跟oh-反應(yīng)，即co2+2oh-=h2o+co32-。故此時的電極反應(yīng)式是ch4-8e-+10oh-=co32-+7h2o。正極方面跟之前的討論類似，電解液為酸性時o2+4e-+4h+=2h2o，電解液為堿性時o2+4e-+2h2o=4oh-。3. 小結(jié)電解液為酸性電解液為堿性負(fù)極反

10、應(yīng)式ch4-8e-+2h2o=co2+8h+ch4-8e-+10oh-=co32-+7h2o正極反應(yīng)式o2+4e-+4h+=2h2oo2+4e-+2h2o=4oh-總反應(yīng)式ch4+2o2=co2+2h2och4+2oh-+2o2=3h2o+co32-4. 簡便教法與氫氧電池一樣，我們也從甲烷燃燒入手來考慮。ch4+2o2=co2+2h2o，這是一個應(yīng)該在學(xué)生頭腦中有強(qiáng)烈印象的東西。負(fù)極方面：ch4被氧化，c就“燒成”了co2，h就“燒成”了h2o。酸性電解液時，co2是不跟h+反應(yīng)的，所以就不再變了。堿性電解液時，因?yàn)閏o2是個酸性氣體，還會跟oh-反應(yīng)生成co32-和h2o。下一個問題是ch

11、4燒成co2、h2o的氧從何來，這是電極方程式，負(fù)極是沒有氧氣直接供應(yīng)的，那只能從含氧化合物來。酸性電解液時，就來自于h2o，因此，電極方程式是ch4-8e-+2h2o=co2+8h+；堿性電解液時，來自于oh-（甲烷失去電子之后形成的是帶正電的東西，優(yōu)先吸引的是負(fù)電的陰離子而不是電中性的水分子），于是電極方程式就是ch4-8e-+10oh-=co32-+7h2o，要注意此時還有co2與oh-的反應(yīng)。正極方面跟之前討論完全相同。也正因?yàn)樵趬A性電解液中co2無法穩(wěn)定存在，所以總反應(yīng)式也就是兩步加在一起，第一步“燃燒”ch4+2o2=co2+2h2o，第二步中和co2+2oh-=h2o+co32-

12、，加在一起就是ch4+2oh-+2o2=3h2o+co32-。三、甲醇燃料電池高檔難度的燃料電池構(gòu)造圖與前面的類似。負(fù)極反應(yīng)物是ch3oh，正極反應(yīng)物是o2。1. 簡便教法對這個電池的探討我們就借用之前甲烷電池的簡單教法的探討方式。因?yàn)檫@個化合物的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，形成的不穩(wěn)定離子更多，如果要一步步說原理太復(fù)雜了。另外，有了之前幾個電池的分析經(jīng)驗(yàn)，相信同學(xué)們自己也有了一些經(jīng)驗(yàn)，就把原理探究留給專家們吧，我們來看看怎么淺顯地理解它兩極發(fā)生的反應(yīng)。負(fù)極方面：ch3oh“燃燒”還是生成h2o和co2，而如果是酸性電解液，co2能夠穩(wěn)定存在。另一方面ch3oh失去電子形成的都是帶正電的離子，因此不會吸引h

13、+，那么反應(yīng)物就是h2o。此電極方程式是ch3oh-6e-+h2o=co2+6h+。如果是堿性電解液，左邊這個方程式中的co2和h+都能與oh-反應(yīng)，即co2+2oh-=co32-+h2o，h+oh-=h2o，我們把這幾個方程式加在一起ch3oh-6e-+8oh-= co32-+6h2o正極方面跟之前的探討完全一樣，因?yàn)檫€是o2作為反應(yīng)物，這里從略。2. 小結(jié)電解液為酸性電解液為堿性負(fù)極反應(yīng)式ch3oh-6e-+h2o=co2+6h+ch3oh-6e-+8oh-=co32-+6h2o正極反應(yīng)式o2+4e-+4h+=2h2oo2+4e-+2h2o=4oh-總反應(yīng)式2ch3oh+3o2=2co2+

14、4h2o2ch3oh+3o2+4oh-=2co32-+6h2o四、規(guī)律總結(jié)燃料電池，顧名思義近似可以理解為“燃燒的電池”，所以負(fù)極材料（h2、ch4、ch3oh）的燃燒方程式是我們第一個要抓住的，這就讓我們知道了后兩種的電極方程式里面是有co2或者co32-的。然后要考慮電解液酸堿性的問題，比如酸性條件下h2失去電子之后的h+就可以穩(wěn)定存在，而反之，在堿性條件下又會生成水了。而后兩者生成的co2是可以在酸性條件下存在的，堿性的又生成co32-了。五、給老師的建議如果學(xué)生在學(xué)習(xí)選修4之前沒有選修5的基礎(chǔ)，就不要給他們講這么多的燃料電池，尤其是醇類的或者葡萄糖這樣的多羥基醛的，因?yàn)檫@涉及到失去多少電子的問題，需要學(xué)生對有機(jī)物結(jié)構(gòu)很熟悉，而必修階段的有機(jī)物講解很基礎(chǔ)學(xué)生只是初步學(xué)會了結(jié)構(gòu)式和電子式等知識，現(xiàn)