《化学反应原理》模块中关于原电池知识的学习,必然会涉及到燃料电池的问题,很多同学反映不知道如何处理这类问题,而燃料电池又是近几年高考命题的重要出题点。下面就帮助大家解决这一难题。
原电池原理分析原电池发生的反应都是自发进行的释放能量(这样化学能才有可能转化为电能)的氧化还原反应且不能是歧化反应,因此只要一个释放能量的氧化还原反应能够自发的发生,并且它的氧化剂和还原剂不是同种物质,那么就可以将该反应设计成一个原电池,其中氧化剂在正极得到电子发生还原反应,而还原剂做负极或者在负极上发生失去电子的氧化反应,这是原电池反应的本质!学习原电池的相关知识时必须抓住这一点才能进行正确的分析和解答。
燃烧反应常见的燃烧反应正是一类释放能量的自发进行的氧化还原反应,并且还原剂(燃料)和氧化剂(助燃剂)不是同种物质,这就具备了原电池反应的基本条件。只是能量转化的类型不同——燃烧反应是将化学能转化为热能和光能,而原电池反应是将化学能转化为电能。常见的燃烧反应有:氢气、一氧化碳、甲烷等气态烃、甲醇等燃料与氧气的燃烧反应以及氢气与氯气的燃烧反应等。
燃料电池涉及燃料电池的试题实际上考察的仍然是原电池的基本知识,同学们之所以感觉到这种题型难解答,无非是燃料电池的电极反应式的书写形式易出错,解决这一难题的关键就在于如何将燃料的燃烧反应拆分成两个“半反应”:一个“半反应”是燃料(即还原剂)的氧化反应,另一个“半反应”是助燃剂(即氧化剂)的还原反应。但是由于燃料电池种类不同,电池内部的电解质的性质不同,都会造成原电池的电极反应不一样,并不是简单的将原来的燃烧反应方程式拆分成两个“半反应”就行。而应该根据题目给出的实际背景进行合理的分析,写出两个比较完整的“半反应”的电极反应式!而所谓的完整,是指不仅要考虑燃料和助燃剂失或得电子前后的变化,而且还要考虑产物是否与电解质或水发生反应。燃料电池一般使用多孔石墨等惰性电极,故电极本身一般不参与反应。下面就氢氧燃料电池进行简要的示例分析!
氢氧燃料电池工作时在负极失电子的是氢气:H2-2e-→2H+;在正极得电子的是氧气:O2+4e-→2O2-
1.以KOH的水溶液作为原电池的电解质溶液时,H2在负极发生氧化反应时生成的H+一定与电解质溶液中的OH-发生反应,同时O2在正极发生还原反应时生成的O2-也要与H2O发生反应,因而完整的电极反应式应该是:
负极2H2-4e-+4OH-→4H2O 正极O2+4e-+2H2O→4OH-
2.以H2SO4的水溶液作为原电池的电解质溶液时,H2在负极发生氧化反应时生成的H+不再与电解质溶液反应,但O2在正极发生还原反应生成的O2-要与电解质溶液中的H+发生反应,因而完整的电极反应式应该是:
负极2H2-4e-→4H+正极O2+4e-+4H+→2H2O
3. 以Na2SO4的水溶液等中性盐溶液作为原电池的电解质溶液时,负极反应式与上述2的相同,正极反应式与上述1的相同,电极反应式为:
负极2H2-4e-→4H+ 正极O2+4e-+2H2O→4OH-
4.如果以可以传导O2-的氧化物作为电池内部的导电物质,电极反应式应该是:
负极2H2-4e-+2O2-→2H2O正极 O2+4e-→2O2-
5.如果以可以传导质子(即H+)的固体物质作为电池内部的导电物质,电极反应式应该是:负极 2H2-4e-→4H+正极O2+4e-+4H+→2H2O(H+在负极生成向正极移动,生成的H2O为气体)
6.如果以熔融的K2CO3作为电池内部的导电物质,电极反应式应为:
负极2H2-4e-+2CO32-→2H2O+2CO2
正极O2+4e-+2CO2→2CO32-(这种情况,正极通入的是O2和CO2的气体混合物)
由上述分析可见,电极反应式的书写形式随着电池内部使用的导电材料的改变而不同,但无论是哪种情况,电池的总反应都是:2H2+O2=2H2O(注意:千万不要写上“燃烧”二字作反应条件!)即电池反应的本质是不变的,改变的只是电极反应式的表达形式而已。