高二化学燃料电池专题

1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↑。2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32O2-+2H2O=4OH-，两步合起来就是O2+4e-+2H2O=4OH-。3.小结电解液为酸性电解液为碱性负极反应式H2-2e-=2H+H2-2e-+2OH-=2H2O正极反应式O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-总反应式2H2+O2=2H2O2H2+O2=2H2O4.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。正极方面跟之前的讨论类似，电解液为酸性时O2+4e-+4H+=2H2O，电解液为碱性时O2+4e-+2H2O=4OH-。3.小结电解液为酸性电解液为碱性负极反应式CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正极反应式O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-总反应式CH4+2O2=CO2+2H2OCH4+2OH-+2O2=3H2O+CO32-4.简便教法与氢氧电池一样，我们也从甲烷燃烧入手来考虑。CH4+2O2=CO2+2H2O，这是一个应该在学生头脑中有强烈印象的东西。负极方面：CH4被氧化，C就“烧成”了CO2，H就“烧成”了H2O。酸性电解液时，CO24是不跟H+反应的，所以就不再变了。碱性电解液时，因为CO2是个酸性气体，还会跟OH-反应生成CO32-和H2O。下一个问题是CH4烧成CO2、H2O的氧从何来，这是电极方程式，负极是没有氧气直接供应的，那只能从含氧化合物来。酸性电解液时，就来自于H2O，因此，电极方程式是CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+；碱性电解液时，来自于OH-（甲烷失去电子之后形成的是带正电的东西，优先吸引的是负电的阴离子而不是电中性的水分子），于是电极方程式就是CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，要注意此时还有CO2与OH-的反应。正极方面跟之前讨论完全相同。也正因为在碱性电解液中CO2无法稳定存在，所以总反应式也就是两步加在一起，第一步“燃烧”CH4+2O2=CO2+2H2O，第二步中和CO2+2OH-=H2O+CO32-，加在一起就是CH4+2OH-+2O2=3H2O+CO32-。三、甲醇燃料电池——高档难度的燃料电池构造图与前面的类似。负极反应物是CH3OH，正极反应物是O2。1.简便教法对这个电池的探讨我们就借用之前甲烷电池的简单教法的探讨方式。因为这个化合物的结构更加复杂，形成的不稳定离子更多，如果要一步步说原理太复杂了。另外，有了之前几个电池的分析经验，相信同学们自己也有了一些经验，就把原理探究留给专家们吧，我们来看看怎么浅显地理解它两极发生的反应。负极方面：CH3OH“燃烧”还是生成H2O和CO2，而如果是酸性电解液，CO2能够稳定存在。另一方面CH3OH失去电子形成的都是带正电的离子，因此不会吸引H+，那么反应物就是H2O。此电极方程式是CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+。如果是碱性电解液，左边这个方程式中的CO2和H+都能与OH-反应，即CO2+2OH-=CO32-+H2O，H++OH-=H2O，我们把这几个方程式加在一起CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O正极方面跟之前的探讨完全一样，因为还是O2作为反应物，这里从略。2.小结电解液为酸性电解液为碱性负极反应式CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O正极反应式O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-总反应式2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O四、规律总结燃料电池，顾名思义近似可以理解为“燃烧的电池”，所以负极材料（H2、CH4、CH3OH）的燃烧方程式是我们第一个要抓住的，这就让我们知道了后两种的电极方程式里面是有CO2或者CO32-的。然后要考虑电解液酸碱性的问题，比如酸性条件下H2失去电子之后的H+就可以稳定存在，而反之，在碱性条件下又会生成水了。而后两者生成的CO2是可以在酸性条件下存在的，碱性的又生成CO32-了。五、给老师的建议如果学生在学习选修4之前没有选修5的基础，就不要给他们讲这么多的燃料电池，尤其是醇类的或者葡萄糖这样的多羟基醛的，因为这涉及到失去多少电子的问题，需要学生对有机物结构很熟悉，而必修阶段的有机物讲解很基础学生只是初步学会了结构式和电子式等知识，现在要他们灵活运用是有难度的。在高二习题和考试中要尽量避免这样的题目，仅考查氢氧燃料电池或者最多甲烷电池在碱性情况下的负极反应式。5由于我们现在的习题“高考化”倾向严重，总是在不恰当的时候考出不恰当的题，比如必修阶段考选修知识，选修阶段考大一轮的东西，这就需要我们的教师在自行命题时严格把关，将不合适的题滤去。不要以怎么考倒学生为荣，而是要以如何促进学生学习为目的进行教学。最后希望这份东西能够给老师和同学一些帮助。重庆新体验教育2014年1月1日