高中化学需要掌握的8个燃料电池的方程式讲解(DOC 12页).doc

1、高中化学需要掌握的 8个燃料电池的方程式几种常见的 燃料电池 的电极反应式的书写燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池,它与原电池形成条件有一点相悖,就是不一 定两极是两根活动性不同的电极,也可以用相同的两根电极。燃料电池有很多,下面主要介 绍几种常见的燃料电池,希望达到举一反三的目的。一、氢氧燃料电池氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂(Pt 或石墨做电极材料,负极通入 H2,正极通入 O2, 总反应为:2H2 + O2 = 2H2O电极反应特别要注意电解质,有下列三种情况:1.电解质是 KOH 溶液(碱性电解质负极发生的反应为:H2 + 2e- = 2H+ ,2H+ + 2OH- = 2H2O,所

2、以:负极的电极反应式为:H2 2e- + 2OH- = 2H2O;正极是 O2得到电子,即:O2 + 4e- = 2O2- , O2- 在碱性条件下不能单独存在,只能结合 H2O 生成 OH-即:2O2- + 2H2O = 4OH- ,因此,正极的电极反应式为:O2 + H2O + 4e- = 4OH- 。2.电解质是 H2SO4溶液(酸性电解质负极的电极反应式为:H2 +2e- = 2H+正极是 O2得到电子,即:O2 + 4e- = 2O2- , O2- 在酸性条件下不能单独存在,只能结合 H+生成 H2O 即:O2- + 2 H+ = H2O,因此正极的电极反应式为:O2 + 4H+ +

3、 4e- = 2H2O(O2 + 4e- = 2O2- , 2O2- + 4H+ = 2H2O3. 电解质是 NaCl 溶液(中性电解质负极的电极反应式为:H2 +2e- = 2H+正极的电极反应式为:O2 + H2O + 4e- = 4OH-说明:1. 碱性溶液反应物、生成物中均无 H+2. 酸性溶液反应物、生成物中均无 OH-3. 中性溶液反应物中无 H+ 和 OH-4. 水溶液中不能出现 O2-二、甲醇燃料电池甲醇燃料电池以铂为两极 , 用碱或酸作为电解质:11. 碱性电解质(KOH 溶液为例总反应式:2CH4O + 3O2 +4KOH= 2K2CO3 + 6H2O正极的电极反应式为:3

4、O2+12e- + 6H20=12OH-负极的电极反应式为:CH4O -6e-+8OH- = CO32-+ 6H2O2. 酸性电解质(H2SO4溶液为例总反应 : 2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O正极的电极反应式为:3O2+12e-+12H+ = 6H2O负极的电极反应式为:2CH4O-12e-+2H2O = 12H+ 2CO2说明:乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同三、甲烷燃料电池甲烷燃料电池以多孔镍板为两极 , 电解质溶液为 KOH ,生成的 CO2还要与 KOH 反应生成 K2CO3,所以总反应为:CH4 + 2KOH+ 2O2 = K2CO3 + 3H2O。负极发

5、生的反应:CH4 8e- + 8OH- =CO2 + 6H2O CO2 + 2OH- = CO32- + H2O, 所以:负极的电极反应式为:CH4 + 10 OH- + 8e- = CO32- + 7H2O正极发生的反应有:O2 + 4e- = 2O2- 和 O2- + H2O = 2OH- 所以:正极的电极反应式为:O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-说明:掌握了甲烷燃料电池的电极反应式,就掌握了其它气态烃燃料电池的电极反应式四、 铝 空气 海水电池我国首创以铝 空气 海水电池作为能源的新型海水标志灯,以海水为电解质,靠空气中的氧 气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分

6、钟,就会发出耀眼的白光。电源负极材料为:铝;电源正极材料为:石墨、铂网等能导电的惰性材料。负极的电极反应式为:4Al -12e -=4Al3+;正极的电极反应式为:3O2+6H2O+12e-=12OH-总反应式为:4Al+3O2+6H2O=4Al(OH32说明 :铝板要及时更换 , 铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积 .高中常见的原电池电极反应式的书写(十年高考书写过程归纳:列物质,标得失 (列出电极上的物质变化,根据价态变化标明电子得失 。 选离子,配电荷 (根据介质选择合适的离子,配平电荷,使符合电荷守 。 巧用水,配个数 (通常介质为水溶液,可选用水配平质量守恒一次电池1、伏打电池:(

7、负极 Zn 、正极 Cu 、电解液 H 2SO 4负极:Zn 2e -=Zn2+(氧化反应 正极:2H +2e-=H2 (还原反应 离子方程式 Zn + 2H+ = H2+ Zn2+2、铁碳电池:(负极 Fe 、正极 C 、电解液 H 2CO 3 弱酸性 负极:Fe 2e -=Fe2+(氧化反应 正极:2H +2e-=H2 (还原反应 离子方程式 Fe+2H+=H2+Fe2+ (析氢腐蚀 3、铁碳电池:(负极 Fe 、正极 C 、电解液 中性或碱性 负极:2Fe 4e -=2Fe2+(氧化反应 正极:O 2+2H2O+4e-=4-OH (还原反应 化学方程式 2Fe+O2+2H2O=2Fe(O

8、H2 (吸氧腐蚀 4Fe(OH2+O2+2H2O=4Fe(OH3 2Fe(OH3=Fe2O 3 +3 H2O (铁锈的生成过程 4. 铝镍电池:(负极 Al 、正极 Ni 电解液 NaCl 溶液、 O 2负极:4Al 12e -=4Al3+ (氧化反应 正极:3O 2+6H2O+12e-=12-OH (还原反应 化学方程式 4Al+3O2+6H2O=4Al(OH3 (海洋灯标电池 5、普通锌锰干电池:(负极 Zn 、正极 C 、电解液 NH 4Cl 、 MnO 2的糊状物 负极:Zn 2e -=Zn2+ (氧化反应 正极:2MnO 2+2H+2e-=Mn2O 3+H2O (还原反应 化学方程式

9、 Zn+2NH4Cl+2MnO2=ZnCl2+Mn2O 3+2NH36、碱性锌锰干电池:(负极 Zn 、正极 C 、 电解液 KOH 、 MnO 2的糊状物负极:Zn + 2OH 2e-= Zn(OH2(氧化反应 正极:2MnO 2 + 2H2O + 2e-=2MnOOH +2 OH-(还原反应 化学方程式 Zn +2MnO2 +2H2O = Zn(OH2+ MnOOH7、银锌电池:(负极 Zn 、正极 -Ag 2O 、电解液 NaOH 负极 :Zn+2OH 2e -= Zn(OH2 (氧化反应 正极 :Ag 2O + H2O + 2e-= 2Ag + 2 OH-(还原反应 化学方程式 Zn

10、+ Ag2O + H2O = Zn(OH2 + 2Ag8、铝 空气 海水 (负极 -铝、正极 -石墨、铂网等能导电的惰性材料、电解液 -海水 负极 :4Al -12e -=4Al3+ (氧化反应 正极 :3O 2+6H2O+12e-=12OH-(还原反应 总反应式为:4Al+3O2+6H2O=4Al(OH3(铂网增大与氧气的接触面9、镁 -铝电池 (负极 -Al 、正极 -Mg 电解液 KOH 负极 (Al:2Al + 8 OH - 6e- =2AlO 2 +4H2O (氧化反应 正极 (Mg :6H 2O + 6e- =3H 2+6OH (还原反应 3化学方程式:2Al + 2OH + 2H

11、2O =2AlO 2 + 3H210、锂电池一型:(负极 -金属锂、正极 -石墨、电解液 LiAlCl 4 -SOCl2负极 :8Li -8e -=8 Li + (氧化反应 正极 :3SOCl 2+8e -=SO 32-+2S +6Cl -(还原反应 化学方程式 8Li +3SOCl 2 = Li2SO 3 +6LiCl +2S ,二次电池(又叫蓄电池或充电电池1、铅蓄电池:(负极 Pb 正极 PbO 2 电解液 浓硫酸放电时 负极:Pb -2e -+SO 42-=PbSO4(氧化反应 正极:PbO 2+2e -+4H +SO 42-=PbSO4+2H 2O (还原反应 充电时 阴极:PbSO

12、 4 + 2H+ +2e -= Pb+H2SO 4(还原反应 阳极:PbSO 4 + 2H2O -2e -= PbO2 + H2SO 4 + 2H+(氧化反应 总化学方程式 Pb +PbO 2 + 2H2SO 42PbSO 4+2H2O2、铁 -镍电池:(负极 - Fe 、正极 NiO 2、电解质溶液为 KOH 溶液放电时 负极:Fe -2e + 2 OH = Fe (OH2 (氧化反应 正极:NiO 2 + 2H2O + 2e = Ni(OH2 + 2 OH (还原反应 充电时 阴极:Fe (OH2 + 2e = Fe + 2 OH (还原反应 阳极:Ni(OH2-2e + 2 OH = N

13、iO 2 + 2H2O (氧化反应 总化学方程式 Fe + NiO 2+ 2H2O Fe (OH2 + Ni(OH23、 LiFePO 4电池 (正极 LiFePO 4,负极 石墨,含 Li +导电固体为电解质 放电时 负极:Li -e =Li +(氧化反应 正极:FePO 4 + Li+ + e = LiFePO4 (还原反应 充电时:阴极:Li + + e = Li (还原反应 阳极:LiFePO 4-e = FePO4 + Li+(氧化反应 总化学方程式 FePO 4 + Li LiFePO 44、镍 -镉电池 (负极 -Cd 、正极 NiOOH 、电解质溶液为 KOH 溶液放电时 负极

14、:Cd -2e + 2 OH = Cd(OH2 (氧化反应 正极:2NiOOH + 2e + 2H2O = 2Ni(OH2+ 2OH (还原反应 充电时 阴极:Cd(OH2 + 2e = Cd + 2 OH (还原反应 阳极:2 Ni(OH2-2e + 2 OH = 2NiOOH + 2H2O (氧化反应 总化学方程式 Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH2 + 2Ni(OH25、氢 -镍电池:(负极 -LaNi 5储氢合金、正极 NiOOH 、电解质 KOH+LiOH 放电时 负极:LaNi 5H 6-6e + 6OH = LaNi5 + 6H2O (氧化反应 正极:6NiOOH

15、 +6e + 6H2O =6 Ni(OH2 + 6OH (还原反应 Ni(OH2+Cd(OH2 正极:2NiOOH + 2e + 2H2O = 2Ni(OH2+ 2OH (还原反应 45 充电时 阴极: LaNi 5 +6e + 6H2O= LaNi5H 6+ 6OH (还原反应 阳极: 6 Ni(OH2 -6e + 6OH = 6NiOOH + 6H2O (氧化反应 总化学方程式 LaNi 5H 6 + 6NiOOH LaNi 5 + 6Ni(OH26、高铁电池:(负极 Zn 、正极 -石墨、电解质为浸湿固态碱性物质放电时 负极:3Zn -6e - + 6 OH = 3 Zn(OH2 (氧化

16、反应 正极:2FeO 42 +6e -+ 8H2O =2 Fe (OH3 + 10OH (还原反应 充电时 阴极:3Zn(OH2 +6e -=3Zn + 6 OH (还原反应 阳极:2Fe(OH3 -6e -+ 10OH =2FeO42 + 8H2O (氧化反应 总化学方程式 3Zn + 2K2FeO 4 + 8H2O 3Zn(OH2 + 2Fe(OH3 + 4KOH7、锂电池二型 (负极 LiC 6、 正极含锂的二氧化钴 LiCoO 2、 充电时 LiCoO 2中 Li 被氧化,Li +还原以 Li 原子形式嵌入电池负极材料碳 C 6中,以 LiC 6表示放电时 负极 : LiC 6 xe-

17、 = Li (1-xC 6 + x Li+ (氧化反应 正极: Li (1-x CoO 2 + xe - + x Li+ = LiCoO2 (还原反应 充电时 阴极: Li (1-xC 6 + x Li+ + xe - =LiC 6 (还原反应 阳极: LiCoO 2 xe- = Li (1-xCoO 2 + x Li+ (氧化反应 总反应方程式 Li (1-xCoO 2 + LiC6 LiCoO 2 + Li (1-xC 6燃料电池根据题意叙述书写常见于燃料电池, 由于燃料电池的优点较多, 成为了近年高考的方 向。燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池,它与原电池形成条件有一点相悖,就是不 一

18、定两极是两根活动性不同的电极, 也可以用相同的两根电极。 解决此类问题必须抓住一 点:燃料电池反应实际上等同于燃料的燃烧反应,但要特别注意介质对产物的影响。一、氢氧燃料电池氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂(Pt 或石墨 做电极材料,负极通入 H 2,正极通入 O 2,总反应 为:2H 2 + O 2 = 2H 2O 电极反应特别要注意电解质,有下列三种情况:1、电解质是 KOH 溶液 (碱性电解质负极:H 2 2e - + 2OH = 2H 2O (氧化反应 正极:O 2 + H 2O + 4e - = OH (还原反应 总反应方程式 2H2 + O 2 = 2H 2O2、电解质是 H 2SO

19、4溶液 (酸性电解质负极:H 2 2e - = 2H + (氧化反应 正极:O 2 + 4H + + 4e - = 2H 2O (还原反应 总反应方程式 2H 2 + O 2 = 2H 2O3、电解质是 NaCl 溶液 (中性电解质负极：H2 2e- = 2H+(氧化反应 正极：O2 + H2O + 4e- = 4OH 总反应方程式 2H2 + O2 = 2H2O 2、.水溶液中不能出现 O2说明 1、碱性溶液反应物、生成物中均无 H+ 二、甲醇燃料电池 1碱性电解质（铂为两极、电解液 KOH 溶液） 正极：3O2 + 12e- + 6H20= 12OH- (还原反应 负极：2CH3OH 12

20、e- + 16OH = 2CO32- +12H2O (氧化反应 总反应方程式 2CH3OH + 3O2 + 4KOH = 2K2CO3 + 6H2O 3、中性溶液反应物中无 H+ 和 OH- 4、酸性溶液反应物、生成物中均无 OH- 2. 酸性电解质（铂为两极、电解液 H2SO4 溶液） 正极：3O2 + 12e- + 12H+ = 6H2O (还原反应（注：乙醇燃料电池与甲醇 负极：2CH3OH 12e- +2H2O=12H+2CO2 (氧化反应 燃料电池原理基本相） 总反应式 2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O (氧化反应 三、CO 燃料电池 （总反应方程式均为： 2CO

21、 O2 2CO2） 1、熔融盐（铂为两极、Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐作电解质，CO 为负极燃气， 空气与 CO2 的混合气为正极助燃气） 正极： O2 4e- 2CO2 2CO32- (还原反应 负极： 2CO2CO32- 4e- =4CO2 (氧化反应 2、酸性电解质（铂为两极、电解液 H2SO4 溶液） 正极： O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O (还原反应 负极： 2CO 4e- + 2H2O = 2CO2 +4H+ (氧化反应 四、肼燃料电池（铂为两极、电解液 KOH 溶液） 正极： O2 + 2H2O + 4e- = 4OH (还原反应 负极： N2H4 + 4

22、OH - 4e- = N2 + 4H2O (氧化反应 总反应方程式 N2H4 + O2= N2 + 2H2O 五、甲烷燃料电池 1碱性电解质（铂为两极、电解液 KOH 溶液） 正极： 2O2 + 2H2O + 8e- = 8 OH (还原反应 负极： CH4 + 10OH- 8e- = CO32- + 7H2O (氧化反应 总反应方程式 CH4 + 2KOH+ 2O2 = K2CO3 + 3H2O (还原反应 + CO2 (氧化反应 2、酸性电解质（铂为两极、电解液 H2SO4 溶液） 正极： 2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O 负极： CH4 - 8e + 2H2O = 8H +

23、总反应方程式 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 六、丙烷燃料电池（铂为两极、正极通入O2和CO2、负极通入丙烷、电解液有三种） 1、电解质是熔融碳酸盐（K2CO3或Na2CO3） 6 正极 ： 5O2 + 20e- + 10CO2 = 10CO32- (还原反应 负极 ： C3H8 - 20e-+ 10CO32- = 3CO2 + 4H2O (氧化反应 总反应方程式 C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 2、酸性电解质 （电解液H2SO4溶液） 正极 ： 5O2 + 20e- + 26H+ = 10H2O (还原反应 负极 ： C3H8 - 20e- + 6H2O =

24、3CO2 + 20 H+ (氧化反应 总反应方程式 C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 3、碱性电解质（铂为两极、电解液KOH溶液） 正极 ： 5O2 + 20e- + 10H2O = 20OH (还原反应 负极 ： C3H8 - 20e-+ 26 OH = 3CO32- + 17H2O (氧化反应 总反应方程式 C3H8 + 5O2 +6KOH = 3 K2CO3 + 7H2O 七、乙烷燃料电池 （铂为两极、电解液KOH溶液） 正极 ： 7O2 + 28e- + 14H2O = 28OH (还原反应 负极 ： 2C2H6 - 28e-+ 36 OH = 4CO32- + 24H

25、2O (氧化反应 总反应方程式 2C2H6 + 7O2 + 8KOH = 4K2CO3 + 10H2O 氢氧燃料电池以碱为电解质放电反应 正极（O2）反应式：O2+2H2O+4e-=4OH（还原反应）， 负极（H2）：2H2-4e-+4OH-=4H2O（氧化反应） 总反应： 2H2+O2=2H2O 1、燃料电池总反应方程式的书写 因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃 烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池， 其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即 2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其

26、电池总反应方程式就与电解质 的状态和电解质溶液的酸碱性有关， 如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成 CO2 和 H2O，即 CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成 CO32-离子和 H2O，即 CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 2、燃料电池正极反应式的书写 因为燃料电池正极反应物一律是氧气， 正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应， 所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是 O2 得电子生成 O2-离子，故正 极反应式的基础都是 O24e-=2O2-。正极产生 O2-离子的存在形式与燃料电池 的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。 现将

27、与电解质有关的五种情况归纳如下。 7 电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸） 在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供 O2-离子结合的微粒有 H+离子和 H2O，O2-离子优先结合 H+离子生成 H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反 应式为 O24H+4e-=2H2O。 电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液） 在中性或碱性环境中， O2-离子也不能单独存在， O2-离子只能结合 H2O 生成 OH离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为 O22H2O+4e-=4OH-。 电解质为熔融的碳酸盐（如 LiCO3 和 Na2CO3 熔融盐混和物） 在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合 CO2 生成 CO32-离子，则其正极反应式为 O22CO2+4e-=2CO32-。 电解质为固体电解质（如固体氧化锆氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许 O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为 O2 4e-=2O2-。 综上所述，燃料电池正极反应式本质都是 O24e-=2O2-，在不同电解质环境中， 其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给 电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。 8