原电池难点燃料电池方程式#高中化学 #高考化学重要考点

燃料电池电极方程式书写方法

燃料电池基本概念

燃料电池通过燃料（如甲烷、甲醇、乙醇等有机化合物）与氧气的化学反应将能量转化为电能，其正负极具有固定特征：

• 正极：氧气（O₂）作为正极，发生还原反应（得电子）。因为氧元素在高中阶段无正化合价，只能得电子生成-2价产物，因此氧气始终作为正极。
• 负极：燃料（有机化合物）作为负极，发生氧化反应（失电子）。

电极方程式书写基本步骤

1. 确定总反应：即燃料燃烧的化学反应方程式，需考虑电解质环境对产物的影响（如酸性条件下生成CO₂，碱性条件下生成CO₃²⁻）。
2. 书写正极反应：根据电解质环境（酸性/碱性）确定O₂得电子后的产物及配平方式。
3. 推导负极反应：利用“总反应 = 正极反应 + 负极反应”的关系，通过总反应减去正极反应（需配平电子数）得到负极反应。

酸性条件下甲醇燃料电池（以CH₃OH为例）

总反应

甲醇在氧气中燃烧生成CO₂和H₂O，反应方程式为：
$2CH_3OH + 3O_2 = 2CO_2 + 4H_2O$

正极反应（O₂得电子）

• 氧气得电子：1个O₂分子含2个O原子，每个O原子得2个电子，共得4个电子（$O_2 + 4e^- \rightarrow 2O^{2-}$）。
• 酸性条件下，O²⁻不能稳定存在，需结合H⁺生成H₂O，配平电荷与原子后：
  $O_2 + 4e^- + 4H^+ = 2H_2O$

负极反应（CH₃OH失电子）

通过总反应减去正极反应（正极反应×3以匹配O₂系数）：
总反应：$2CH_3OH + 3O_2 = 2CO_2 + 4H_2O$
正极反应（×3）：$3O_2 + 12e^- + 12H^+ = 6H_2O$
两式相减得：$2CH_3OH - 12e^- + 2H_2O = 2CO_2 + 12H^+$
简化后（除以2）：$CH_3OH - 6e^- + H_2O = CO_2 + 6H^+$

碱性条件下甲醇燃料电池（以CH₃OH为例，电解质为NaOH/KOH）

总反应

碱性条件下，CO₂会与OH⁻反应生成CO₃²⁻，总反应方程式为：
$2CH_3OH + 3O_2 + 4OH^- = 2CO_3^{2-} + 6H_2O$（需配平电荷与原子）

正极反应（O₂得电子）

碱性条件下，O₂得电子后结合H₂O生成OH⁻，配平后：
$O_2 + 4e^- + 2H_2O = 4OH^-$
（3个O₂的正极反应为：$3O_2 + 12e^- + 6H_2O = 12OH^-$）

负极反应（CH₃OH失电子）

通过总反应减去正极反应：
总反应：$2CH_3OH + 3O_2 + 4OH^- = 2CO_3^{2-} + 6H_2O$
正极反应：$3O_2 + 12e^- + 6H_2O = 12OH^-$
两式相减得：$2CH_3OH - 12e^- + 16OH^- = 2CO_3^{2-} + 12H_2O$
简化后（除以2）：$CH_3OH - 6e^- + 8OH^- = CO_3^{2-} + 6H_2O$