探究氫氧燃料電池電極反應(yīng)機理 準(zhǔn)確書寫其電極反應(yīng)式

1、探究氫氧燃料電池電極反應(yīng)機理準(zhǔn)確書寫其電極反應(yīng)式摘要：氫氧燃料電池是高中化學(xué)中需要學(xué)習(xí)的最基礎(chǔ)燃料電池，通過學(xué)習(xí)書寫 氫氧燃料電池中酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液）、堿性環(huán)境（KOH溶液 作為電解質(zhì)溶液）、熔融金屬氧化物（可以傳導(dǎo)O2-）、熔融的碳酸鹽四種環(huán)境 中的正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式，可以建立起一種基礎(chǔ)燃料電池電極反應(yīng)式書寫的 思維模型，以致能夠快速、準(zhǔn)確的書寫燃料電池電極反應(yīng)式。關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；思維建模；基元反應(yīng)；燃料電池燃料電池電極反應(yīng)的書寫因為環(huán)境的不同，所涉及的基元反應(yīng)不同，結(jié)果也 就不一樣，但如果按照基元反應(yīng)發(fā)生的先后順序一步一步的書寫，最后把這幾個 基元反應(yīng)合起來，得

2、到的最終反應(yīng)式，就是該電極的電極反應(yīng)式。即按反應(yīng)先后 順序ATB；BTC；CTD.，而+.可得到最終反應(yīng)式，該最 終反應(yīng)式就是該電極的電極反應(yīng)式。利用這種方法可以較為快速和準(zhǔn)確的書寫燃 料電池的電極反應(yīng)式，可以更好的理解和掌握基礎(chǔ)燃料電池的反應(yīng)機理。高中化學(xué)氫氧燃料電池常涉及酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液）、堿 性環(huán)境（KOH溶液作為電解質(zhì)溶液）、熔融金屬氧化物（可以傳導(dǎo)O2-）環(huán)境、 熔融的碳酸鹽（如熔融K2CO3）環(huán)境等四種反應(yīng)環(huán)境。氫氧燃料電池是高中化學(xué) 中最基礎(chǔ)燃料電池。通過氫氧燃料電池電極反應(yīng)式的書寫，可以建立起燃料電池 電極反應(yīng)式書寫的思維模型。一、酸性環(huán)境（稀H2SO4溶

3、液）燃料電池的中輸入燃料的電極是負(fù)極，被氧化的物質(zhì)當(dāng)然是燃料本身，氫氧 燃料電池中，負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步應(yīng)為：H2-2e-=2H+，然后利用產(chǎn)物H+進一 步思考下一步的反應(yīng)，但H+在酸性體系中不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，所以，酸性環(huán)境 下氫氧燃料電池的負(fù)極電極反應(yīng)式書寫為：H2-2e-=2H+。而通入氧氣的電極為電池的正極，正極的氧氣被還原。第一步反應(yīng)為 O2+4e-=2O2-，而O2-在酸性體系中（水溶液體系）不能獨立存在，會繼續(xù)和H+ 反應(yīng)即O2-+H+=OH-，生成的OH-接著能繼續(xù)和溶液中的H+發(fā)生OH-+H+=2H2O反 應(yīng)，生成的H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，達到鏈?zhǔn)?/p>

4、反 應(yīng)的終點，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：相加得到的反應(yīng)式O2+4e-+4H+=2H2O就是氫氧燃料電池在酸性環(huán)境中的正極 電極反應(yīng)式。所以在酸性環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-=4H+；正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+4H+=2H2O；原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。二、堿性環(huán)境（稀KOH溶液）負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步為H2-2e-=2H+，H+在堿性體系中繼續(xù)和OH-反應(yīng)： OH-+H+=2H2O,而H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，這時 把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：所以H2-2e-+2OH-=2H2O是氫氧燃料電池堿性環(huán)

5、境下的負(fù)極電極反應(yīng)式。正極反應(yīng)發(fā)生的第一步為O2+4e-=2O2-，O2-在酸性體系中（水溶液體系）不 能獨立存在，會繼續(xù)和H+反應(yīng)，而堿性環(huán)境中的H+是由水電離出來的，因為水 是弱電解質(zhì)，所以反應(yīng)式為O2-+H2O =2OH-，而OH-在堿性體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，反應(yīng)式就寫到此，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得:而O2+4e-+2H2O=4OH-就是氫氧燃料電池在酸性環(huán)境中的正極電極反應(yīng)式。所 以在堿性環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+4OH-=4H2O；正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2H2O=4OH-；原電池總反應(yīng)為：2H2+O2

6、=2H2O。三、熔融金屬氧化物作介質(zhì)（能傳導(dǎo)O2-）該環(huán)境下的正極反應(yīng)比較容易寫，并且在書寫負(fù)極電極反應(yīng)式時需要結(jié)合正 極反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子，按電子守恒來寫較容易理解，所以先將書寫的正極電極反應(yīng) 式。燃料電池正極上氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，第一步反應(yīng)為：O2+4e-=2O2-，而O2-熔 融金屬氧化物介質(zhì)中能獨立存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，所以O(shè)2+4e-=2O2-就是 氫氧燃料電池在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的正極電極反應(yīng)式。若正極有1mol氧氣被還原生成2molO2-，要轉(zhuǎn)移4mole-，根據(jù)電子守恒，負(fù) 極就應(yīng)該有2molH2被氧化，同時產(chǎn)生4molH+。在該環(huán)境下，負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第 一步為2H2-4e-=

7、4H+，而H+在熔融金屬氧化物作介質(zhì)中繼續(xù)與O2-反應(yīng)即 2H+2O2-=2OH-，而OH-再與剩余的2mol H+反應(yīng)生成2molH2O，水不會再繼續(xù)往 下反應(yīng)，達到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：所得反應(yīng)2H2-4e-+2O2-=2H2O是氫氧燃料在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的負(fù)極電 極反應(yīng)式。所以在熔融金屬氧化物作介質(zhì)環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如 下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+2O2-=2H2O；正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-=2O2-；原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。四、熔融碳酸鹽作介質(zhì)在熔融碳酸鹽作介質(zhì)中，考慮到正極若有1mol O2參與反應(yīng)，則要

8、轉(zhuǎn)移 4mole-，根據(jù)電子守恒關(guān)系，則負(fù)極發(fā)生的第一步反應(yīng)為：2H2-4e-=4H+，而H+ 接著和介質(zhì)中的CO32-反應(yīng)即4H+2CO32-=2H2O+CO2個，該反應(yīng)式的產(chǎn)物H2O和 CO2都不再與體系中的其它物質(zhì)反應(yīng)，達到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點，將這兩個反應(yīng)式相 加得：就可以得到負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2。通常情況下，正極區(qū)通入的氣體為CO2和O2混合氣體。正極反應(yīng)發(fā)生的第 一步為O2+4e-=2O2-，產(chǎn)生的O2-又和CO2發(fā)生反應(yīng)生成CO32-，即2O2- +2CO2=2CO32-。在正極區(qū)域，因電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，CO32-能獨立存在，反應(yīng) 式不能繼續(xù)往下寫，將這兩個反應(yīng)式相加得：反應(yīng)式O2+4e-+2CO2=2CO32-就是氫氧燃料電池在熔融碳酸鹽介質(zhì)中的正極電 極反應(yīng)式。所以在熔融碳酸鹽作介質(zhì)環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2；正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2CO2=2CO32-；原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。通過以上探究氫氧燃料電池的四種環(huán)境中電極反應(yīng)的機理，可以快速啊準(zhǔn)確 的書寫燃料電池的電極反應(yīng)