桑建強：高中化學解題方法歸納23

許愿真 2015-05-31

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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(fā)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＋2CO 4CO₂＋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(tài)：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(huán)境顯堿性生成酸性氧化物是不可能的,，產物應為SO (或CO )，O²^－由誰來提供,？顯然是OH^－,，提供O²^－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(tài)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(jù)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O²^－。

O²－4e^－====2O²^－

O²^－被H₂O分子俘獲變?yōu)镺H^－：

H₂O＋O²^－====2OH^－

將正,、負兩極電極反應式疊加,，可得電池總反應。根據(jù)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。

附：參考答案

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^－====2O²^－

O²^－半徑很小，在熔鹽中不能單獨存在,，被CO₂分子俘獲：

CO₂＋O²^－====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?yōu)镺²^－，O²^－與H^＋結合生成H₂O,。

如果有水生成,，溶液的濃度和pH都會發(fā)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Al³^＋,，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^－====Al³^＋

(3)Al＋4H^＋＋2NO ====Al³^＋＋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Cu²^＋,，電子流向正極,，正極上溶液中的H₂SO₄分子得到電子變?yōu)镠₂O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(fā)生反應。但這時Al與稀H₂SO₄發(fā)生反應,，負極上Al失電子變?yōu)锳l³^＋,，正極上H^＋得電子變?yōu)镠₂。稀H₂SO₄被消耗,，c(H^＋)變小,，pH變大。