高二化学燃料电池专题

高二化学燃料电池专题 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

燃料电池专题我在这里给同学们梳理一下燃料电池的原理，主要是解决正负极电极方程式书写的问题。

一、预备知识（如果你必修阶段掌握良好可跳过这一部分）

燃料电池说到底还是原电池，我们在这里先复习下必修2中Cu-Zn原电池的原理。1. 看构造

如上图，原电池主要由Cu片、Zn片、稀H2SO4、导线等构成。

2. 谈现象

Zn片是银白色的，在放电过程中溶解。

Cu片是紫红色的，在放电过程中表面有气泡冒出。

3. 说原理

Zn比Cu金属性强（更活泼），即更容易失去电子，导线连接之后，Zn的电子优先选择沿着导线跑到铜片表面去排队1而不是直接跳到溶液里。

Zn由于失去电子被氧化形成Zn2+，就脱离了Zn片表面溶解在了溶液里，Zn片就不断变薄变细。我们把Zn这一极称为负极，电极方程式是Zn-2e-=Zn2+。

与此同时，另一极Cu的表面由于有电子在那儿排队，而显负电，就会吸引溶液中的阳离子H+向该极移动，这些阳离子获得那些排队的电子生成H2，于是就有气泡冒出。我们把Cu这一极称为正极，电极方程式是2H++2e-=H2↑

4. 小结

Cu-Zn原电池（稀H2SO4作为电解质）

Zn是负极，失去电子，被氧化，电极方程式Zn-2e-=Zn2+。

Cu是正极，H+在其表面得电子，被还原，电极方程式2H++2e-=H2↑。

总反应式是Zn+2H+=Zn2++H2↑

要小心，不要想当然地认为Zn失去电子则Cu得电子，Cu虽然金属性不强但毕竟仍然是金属，且是电的良导体（家里的电线、电话线、网线），说明了它表面的电子还是很容易移动的，因此它不会自己得电子形成带负电的离子。

1：注意，我这里说电子排队只是形象地打个比方便于理解，给中学生讲课是可以这么讲的，实际上只有当回路接通的时候才会有电子跑到铜片上去。而之所以有这样的一个接通回路就会定向移动应该是电势差U造成的。

二、氢氧燃料电池——最简单的燃料电池

下面是该电池的原理图：

1. 看构造

这个电池由两个惰性电极Pt（金属铂）、导线等构成。左右两半溶液槽用隔膜隔开（允许部分离子通过，如阴离子半透膜只允许阴离子通过，不会完全隔断，否则就行不成闭合回路了）。

2. 谈原理

左右分别有一条导气管，将H2和O2输送到Pt电极附近。由于Pt的特性——如表面多孔，可以吸附气体，所以这些输送进去的气体不会立刻浮出水面，而是附着在Pt电极表面。

我们知道H2跟O2相比，前者是还原性气体，后者是氧化性气体。也就是说前者容易失去电子，后者容易得到电子。于是，跟我们之前Cu-Zn原电池类似就有：

H2作负极反应物，失去电子，被氧化，生成H+。但是电极方程式却不一定是H2-2e-=2H+。为什么呢因为电解液的酸碱性不知道。如果电解液为酸性或者中性，这些H+

是可以在其中大量存在的，则电极方程式就是前面这个。但如果电解液是碱性的，如KOH溶液，这些生成的H+就会马上被中和掉生成H2O。因此，此时的电极反应就是两步，即H2-2e-=2H+和2H++2OH-=2H2O，两步合起来就是H2-2e-+2OH-=2H2O。

与此同时，O2作为正极反应物，得到电子，被还原，生成O2-。但电极方程式不是

O2+4e-=2O2-。为什么呢因为O2-是一种很不稳定的离子。而此时电解液如果是酸性的O2-就会立刻结合H+生成H2O。即此时的电极反应又是两步：O2+4e-=2O2-和2O2-

+4H+=2H2O，两步合起来就是O2+4e-+4H+=2H2O。而如果此时电解液是中性或者碱性，H+极少，O2-就会跟H2O反应生成OH-，即2O2-+2H2O=4OH-，则这种情况下的电极方程式就是O2+4e-=2O2-和2O2-+2H2O=4OH-，两步合起来就是O2+4e-+2H2O=4OH-。

3. 小结

4. 简便教法

强烈建议我们的老师要钻研之前的那个原理，在教学中要结合原理教学，这个简便教法是助学、助记法，是不能发展思维的，如果一来就按照这样去教，是不符合我们新课程理念的，是做题术的教学。而实际上如果按照前面的原理进行教学，学生达到一定熟练程度后是可以自动想到这些技巧的，这符合认知规律，是把人教聪明的教学。请各位老师切记切记。

既然叫燃料电池，顾名思义，就跟它的燃烧有些关系。虽然在反应中并没有真的燃起来（溶液中怎么可能有火呢），但看总反应式正好就是它燃烧的那个反应式（但不写点燃）。

由此，我们在写电极反应式时可以时时想到这个熟悉的2H2+O2=2H2O，最后写完了电极方程式也请你加起来看看是不是这个总的。

负极方面：H2-2e-=2H+，酸性电解液时，H+不被中和，所以就这样了。碱性电解液时，H+被中和，于是还有第二步2H++2OH-=2H2O，因此电极方程式就是这两步之和H2-2e-+2OH-=2H2O。

正极方面：O2+4e-=2O2-，酸性电解液时，O2-结合H+生成水2O2-+4H+=2H2O（也可以理解为先生成OH-但不会仅仅停留在生成OH-的时候而是进一步生成水）。碱性电解液时，2O2-+2H2O=4OH-。要小心此时O2-不是跟OH-反应的（尽管此时是碱性，OH-浓度大），你可以理解为同性电荷相斥，O2-与OH-都带负电，所以不能跑到一块儿去。

二、甲烷燃料电池——中档难度的燃料电池

构造图与氢氧燃料电池类似。

负极反应物是CH4，正极反应物是O2。

负极方面：CH4失去全部成键电子，CH4-8e-=C4++4H+。与O2-类似，C4+很不稳定，这时候又要看电解液的酸碱性了。如果是酸性或中性，C4++2H2O=CO2+4H+，而CH4中那几个+1价的H原子也能“安然无恙”地以H+形式存在了。此时的电极反应有两步，CH4-8e-=C4++4H+和C4++2H2O=CO2↑+4H+，两步合起来就是CH4-8e-

+2H2O=CO2+8H+。而如果此时电解液是碱性（如KOH溶液），则第一步失去电子CH4-8e-=C4++4H+后，C4+及H+结合的都是OH-，即C4++4OH-=CO2+2H2O，且

4H++4OH-=4H2O。而生成的CO2是个酸性气体又跟OH-反应，即CO2+2OH-

=H2O+CO32-。故此时的电极反应式是CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O。