氢氧燃料电池

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+ + 4e—=== 2H2O(O2 + 4e—=== 2O2- ，2O2- + 4 H+ === 2H2O）
3。

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：
1．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:3O2+12e- + 6H20===12OH-
负极的电极反应式为：CH4O —6e—+8OH- === CO32—+ 6H2O
2. 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K 2CO3，所以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2 === K2CO3 + 3H2O。

负极发生的反应：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（OH）3
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.
燃料电池电极反应式的书写方法
在中学阶段,掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。

所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的.书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。

下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。

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
2H
2+O
2
=2H
2
O。

若燃料是含碳元素的可燃物，其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CO
2和H
2
O，
即CH
4+2O
2
=CO
2
+2H
2
O；在碱性电解质中生成CO
3
2—离子和H
2
O,即
CH
4+2OH-+2O
2
=CO
3
2—+3H
2
O。

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O
2
得电子生成O2—离子,故
正极反应式的基础都是O
2
＋4e-=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。

现将与电解质有关的五种情况归纳如下。

⑴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H
2
O，
O2—离子优先结合H+离子生成H
2
O。

这样,在酸性电解质溶液中，正极反应式为O
2＋4H++4e-=2H
2
O.
⑵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H
2
O生成OH—离子，
故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O
2＋2H
2
O +4e-=4OH-。

⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO
3和Na
2
CO
3
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CO
2生成CO
3
2—
离子，
则其正极反应式为O
2＋2CO
2
+4e—=2CO
3
2-。

⑷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O
2
＋
4e-=2O2—。

综上所述，燃料电池正极反应式本质都是O
2
＋4e-=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.
3、燃料电池负极反应式的书写
燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。

不同的可燃物有不同的书写方式,要想先写出负极反应式相当困难。

一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写,即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式,然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式.
三、燃料电池电极反应式的书写应用举例
1、电解质为酸性电解质溶液
例1、科学家预言,燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。

一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

试回答下列问题:
⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式
是。

⑵此电池的正极发生的电极反应
是；负极发生的电极反应是。

⑶电解液中的H+离子向极移动；向外电路释放电子的电极是 .
⑷比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高,其次
是。

解析：因燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，又且其电解质
溶液为稀硫酸,所以该电池反应方程式是2CH
3OH+3O
2
=2CO
2
+4H
2
O。

按上述燃料电池
正极反应式的书写方法1知,在稀硫酸中，其正极反应式为：3O
2＋12H++12e—=6H
2
O，
然后在电子守恒的基础上利用总反应式减去正极反应式即得负极反应式为：
2CH
3OH+2H
2
O－12e—=2CO
2
↑+12H+.由原电池原理知负极失电子后经导线转移到正
极，所以正极上富集电子，根据电性关系知阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

故H+离子向正极移动，向外电路释放电子的电极是负极。

答案：⑴2CH
3OH+3O
2
=2CO
2
+4H
2
O
⑵正极3O
2＋12H++12e—=6H
2
O；负极2CH
3
OH+2H
2
O－12e—=2CO
2
↑+12H+
⑶正；负⑷对空气的污染较小
2、电解质为碱性电解质溶液
例2、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的
是
（）
A、负极反应式为CH
4+10OH—－8e—=CO
3
2-+7H
2
O
B、正极反应式为O
2＋2H
2
O +4e-=4OH—
C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变
D、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
解析：因甲烷燃料电池的电解质为KOH溶液,生成的CO
2还要与KOH反应生成K
2
CO
3
,
故该电池发生的反应方程式是CH
4+2OH—+2O
2
=CO
3
2—+3H
2
O。

从总反应式可以看出,
要消耗OH—，故电解质溶液的碱性减小，C错。

按上述燃料电池正极反应式的书
写方法2知，在KOH溶液中，其正极反应式为：O
2＋2H
2
O +4e—=4OH—。

通入甲烷
的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式为CH
4
+10OH-－
8e—=CO
32—+7H
2
O。

选项A、B均正确。

根据能量转化规律，燃烧时产生的热能是不
可能全部转化为功的，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大的多，D项正确。

故符合题意的是C。

甲烷电池
负极：CH4+10OH--8e-＝＝＝CO32— +7H2O
正极：O2+4e—+2H2O＝＝＝4OH—
乙烷电池
负极2 CH3CH3 — 28e- + 36OH— ==== 4 CO32— + 24H20
正极7 O2 + 28 e— + 14 H20 ==== 28 OH-
丙烷电池
负极：C3H8 - 20e— + 20OH- = 3CO32— + 14H20
正极：5o2 +20e-+10H2O = 20 OH-
肼电池:
负极：N2H4+4OH- — -4e==N2+4H2O
正极：O2+H2O+4e==4OH—
甲醇电池
正极：3O2 + 12e– + 6H20 = 12OH–
负极：2CH3OH - 12e– + 16OH～= 2CO32— + 12H2O
高中常见化学方程式
一、碱金属
1、4Na + O2======2 Na2O
2、2Na + O2=======Na2O2(点燃）☆
3、2Na +2 H2O===2NaOH + H2↑☆
4、Na2O + H2O===2NaOH △
5、2Na2O2 +2 H2O===4NaOH + O2↑☆
6、2Na2O2+ 2CO2===2Na2CO3+ O2 ☆
7、2Na + S ==== Na2S（条件：点燃）
8、4Li + O2 =====2Li2O
9、2K + 2H2O===2KOH + H2↑ △
10、Na2CO3+2 HCl===2NaCl + CO2↑+H2O
11、NaHCO3+ HCl===NaCl+ + CO2↑+H2O
12、Na2CO3+ CO2+ H2O==2NaHCO3
13、2NaHCO3===== Na2CO3+ CO2↑ + H2O
14、NaHCO3 + NaOH===Na2CO3 + H2O
15、NaHCO3+ NaHSO4===Na2SO4+ CO2↑+ H2O
16、2NaHCO3+Ca(OH)2==CaCO3↓+Na2CO3 + H2O
17、2NaOH + CuSO4===Na2SO4 +Cu（OH) 2 ↓
18、3NaOH + FeCl3===3NaCl +Fe（OH) 3 ↓
19、2NaOH + MgCl2===2NaCl + Mg(OH) 2↓
二、卤素
1、Cl2+2 Na ===== 2 NaCl (条件:点燃)
2、Cl2+ Mg===== MgCl2 （条件：点燃）
3、Cl2+ Cu =====CuCl 2 （条件：点燃）
4、3Cl2+ 2Fe =====2FeCl3 （条件:点燃) △
5、Cl2 + H2=====2 HCl (条件：点燃）△
6、3Cl2+2 P ==== 2PCl3 （条件：点燃）
7、Cl2+ PCl3=== PCl5 （条件：点燃)
8、Cl2 + H2O==== HCl + HClO ☆
9、Cl2 +2 NaOH===NaCl + NaClO+ H2O ☆
10、2Cl2+2Ca（OH）2===CaCl2 +Ca（ClO）2+2 H2O ☆
11、Cl2 +2 NaBr===2NaCl + Br2 △
12、Cl2 + 2KI=== 2KCl +I2
13、Br2+ 2KI===2KBr+ I2
14、MnO2 +4 HCl(浓）==== MnCl2+Cl2↑+2 H2O （条件：加热）☆
15、2NaCl + H2SO4(浓)==== Na 2SO4+ 2HCl↑
16、Ca（ClO)2 + CO2 + H2O==CaCO3↓+ 2HClO ☆
17、NaClO + HCl===NaCl + HClO ☆
18、2HClO ====2 HCl +O2↑
19、H2+ F2=== 2H F
20、H2 + Br2====2HBr
21、H2 + I2=== 2HI
22、2F2 +2 H2O===4HF + O2 ☆
23、NaCl + AgNO3===NaNO3+ AgCl ↓（白色沉淀)
24、NaBr + AgNO3===NaNO3 + AgBr↓ （浅黄色沉淀）
25、KI + AgNO3===K NO3+ AgI↓ (黄色沉淀）
26、2AgBr ===2Ag + Br2 （光照）
三、硫及其化合物
1、S + 2Cu ======Cu2S （条件：加热）
2、S + Fe ======FeS (条件:加热）
3、S + H2======= H2S （条件:点燃）
4、S + O2===== SO2 （条件：点燃）
5、2H2S + O2（不足）====== 2 S +2H2O （条件：点燃）
6、2H2S + 3O2（充足）======= 2SO2 + 2H2O （条件：点燃）
7、FeS +2 HCl=== FeCl2+ H2S↑ △
8、FeS + H2SO4===FeSO4 + H2S↑
9、Na2SO3+ H2SO4===Na2SO4+ H2O+SO2↑
10、SO2+ H2O===H2SO3
11、2SO2 + O2=====2SO3 （条件：催化剂、加热)
12、SO3 + H2O===H2SO4
13、SO2 + Cl2 + H2O=== H2SO4 +2HCl ☆
14、SO2+ Br2 +H2O======H2SO4+2HBr ☆
15、SO2 +2 NaOH======Na2SO3+H2O
16、C + 2H2SO4(浓）=====CO2↑+2SO2↑+ 2H2O （条件：加热）☆
17、S +2 H2SO4(浓) =====3SO2↑+2 H2O （条件：加热）☆
18、Cu + 2H2SO4 (浓）==== CuSO4 +SO2↑+2 H2O （条件：加热）☆
19、H2S + H2SO4 （浓)===S↓+SO2↑+ 2H2O △
21、2Na2SO3 + O2===2Na2SO4
22、Na2SO4 + BaCl2==NaCl + BaSO4↓
23、Na2SO3 + BaCl2==2NaCl +BaSO3↓
24、BaSO3 + 2HCl===BaCl¬2+SO2↑+H2O
25、2H2O2 =====2H2O+ O2↑ (见光、或加热) △
26、2O3 ====3O2 （条件：放电）
四、碳、硅及其化合物
1、C + O2 ====CO2 （条件：加热）
2、2C + O2 ====2CO （条件：加热）
3、C + CO2 ====2CO （条件:加热)☆
4、C + H2O ====CO + H2 （条件：高温）☆
5、C + 2CuO =====2Cu + CO2↑ （条件：加热）☆
6、CO2 + H2O===H2CO3
7、CO2 + Ca（OH）2===CaCO3↓+H2O
8、CaCO3 + CO2 + H2O===Ca(HCO3）2
9、Ca(HCO3) 2 ======CaCO3+ CO2↑+H2O (条件：加热）
10、Ca（HCO3）2 + Ca（OH) 2===2CaCO3↓+2 H2O
11、CaCO3 =====CaO+ CO2↑ (条件:高温)
12、CaCO3 +2 HCl===CaCl2+ CO2↑+H2O
13、Si + O2 =====SiO2 （条件：高温）
14、Si +2NaOH +H2O===Na2S iO3 + 2H2↑ ☆
15、Si + 4HF===SiF4↑+ 2H2↑
16、SiO2 +2 C ======Si +2CO↑ （条件：高温）☆
17、SiO2 + CaO ====CaSiO3 (条件：高温）
18、SiO2 + 2NaOH===Na2SiO3 + H2O （条件:高温）
19、Na2CO3 + SiO2=====Na2SiO3+CO2↑ （条件：高温)
20、CaCO3 + SiO2 =====Na2SiO3+CO2↑ （条件：高温）
21、Na2SiO3 + CO2 + H2O===H2SiO3↓ + Na2CO3 ☆
22、Na2SiO3 +2 HCl===2NaCl+ H2SiO3↓
五、氮和氮的化合物
1、N2 + 3H2 =====2NH3 （高温、高压、催化剂；且反应可逆）☆
2、N2 + O2======2NO （放电）
3、2NO + O2===2NO2
4、3NO2 + H2O===2HNO3 + NO ☆
5、4NO + 3O2 +2 H2O===4HNO3 ☆
6、4NO2 + O2 + 2H2O===4HNO3 ☆
7、NH3 + H2O =====NH3•H2O
8、NH3•H2O ======NH3↑+ H2O （条件:加热）
9、NH3 + HCl===NH4Cl
10、NH3 + HNO3===NH4 NO3
11、4NH3 + 5O2 =====4NO +6 H2O (催化剂加热）
12、NH4Cl + NaOH =======NaCl +NH3↑+ H2O
13、2NH¬4Cl（固）+Ca（OH）2（固）==== CaCl2+2NH¬3↑+2 H2O （加热) ☆
14、4HNO3 ====4NO2↑+ O2↑+ 2H2O （见光、受热）☆
15、Cu +4 HNO3 (浓)==Cu(NO3）2+2NO2↑+2 H2 （加热) △
16、3Cu +8 HNO3 （稀）==Cu（NO3)2+2NO↑+4 H2O （加热）△
17、C +4 HNO3 （浓）===== CO2↑+ 4NO2↑+ 2H2O (加）
18、4P + 5O2 ====2P2O5 （点燃）
19、P2O5 + 3H2O（热）===2H3PO4
20、P2O5 + H2O（冷）===2HPO3
21、NH4Cl===== NH3 ↑+ HCl↑ （加热)
22、NH4HCO3 =====NH3↑+ CO2↑+ H2O
23、N2O4 ====== 2NO2 （常温下可逆)
六、铝及其化合物
1、4Al + 3O2==== 2Al2O3 （点燃）
2、2Al +6 HCl===2AlCl3 +3 H2↑
3、2Al +6 H2O===== 2 Al(OH) 3↓+3H2↑ ☆
4、2Al + 2NaOH +2 H2O===2NaAlO2 +3 H2↑ ☆
5、2Al + Fe2O3 ======2Fe+ Al2O3 ☆（高温）
6、Al2O3 + 6HCl===2AlCl3 +3 H2O
7、Al2O3 +2 NaOH===2NaAlO2 + H2O △
8、Al（OH）3 +3HCl===AlCl3 +3 H2O
9、Al（OH) 3 + NaOH===NaAlO2 +H2O △
10、AlCl3 + 3NaOH===3NaCl+Al(OH) 3↓
11、AlCl3 +3 NH3•H2O===3NH4Cl+Al（OH) 3↓ ☆
12、NaAlO2 + HCl + H2O===NaCl +Al(OH) 3↓ ☆
13、NaAlO2 + 4HCl( 过量)===AlCl3 + 2H2O
14、NaAlO2 +CO2 (过量）+2H2O=Al(OH) 3↓+NaHCO3
15、AlCl3 + 3NaAlO2 +6H2O===3NaCl+4Al（OH) 3↓
16、2Mg + O2===== 2MgO （点燃）
17、3Mg + N2 ======Mg 3N2 （点燃）☆
18、2Mg + CO2 =====2MgO+C （点燃）☆
七、铁及其化合物
1、3Fe + 2O2 ======Fe3O4
2、3Fe +4 H2O（气）====== Fe3O4+4 H2 (高温）☆
3、2Fe + 3Cl2 ======2FeCl3 (点燃）
4、Fe + S ======FeS (加热）
5、Fe + I2====== FeI2 （加热)
6、Fe + 2HCl===FeCl2 +H2↑
7、Fe + CuSO4===Fe SO4+ Cu
8、2Fe（OH）3====== Fe2O3+ 3H2O （加热）
9、4Fe(OH）2 + O2 +2 H2O===4Fe（OH）3 ☆
10、2FeCl2 + Cl2===2FeCl3
11、2FeCl3 + Fe===3FeCl2
14、2FeCl3+ 2KI===2FeCl2+I2↓+2KCl
15、Fe2O3 + 3CO===== 2Fe+3CO2 （加热）
16、Fe+4HNO3(稀）（过量）==Fe（NO3) 3+NO↑+2H2O
17、3Fe （过量)+8HNO3 (稀)==3Fe（NO3) 2+2NO↑+4H2O
18、FeCl3 + 3KSCN ===Fe（SCN）3
：有机反应：
加成反应（加成反应进行后，重键打开，原来重键两端的原子各连接上一个新的基团）
消去反应(有机化合物在适当的条件下，从一个分子脱去一个小分子(如水、卤化氢等分子），而生成不饱和(双键或三键）化合物的反应）
取代反应（有机化合物受到某类试剂的进攻，使分子中一个基（或原子)被这个试剂所取代的反应)
加聚反应(单体间相互反应生成一种高分子化合物，叫做加聚反应)
缩聚反应(两个或多个有机分子相互作用后以共价键结合成一个大分子，同时失去水或其他比较简单的无机或有机分子的反应）。