高中化学需要掌握的8个燃料电池的方程式
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- + 4H+ === 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-
1
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K2CO3,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.
高中常见的原电池电极反应式的书写(十年高考)
书写过程归纳:列物质,标得失 (列出电极上的物质变化,根据价态变化标明电子得失)。
选离子,配电荷 (根据介质选择合适的离子,配平电荷,使符合电荷守)。
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巧用水,配个数 (通常介质为水溶液,可选用水配平质量守恒)
一次电池 1、伏打电池:(负极—Zn、正极—Cu、电解液—H2SO4)
负极: Zn–2e-==Zn2+ (氧化反应) 正极: 2H++2e-==H2↑ (还原反应) 离子方程式 Zn + 2H+ == H2↑+ Zn2+ 2、铁碳电池:(负极—Fe、正极—C、电解液H2CO3 弱酸性)
负极: Fe–2e-==Fe2+ (氧化反应) 正极:2H++2e-==H2↑ (还原反应) 离子方程式 Fe+2H+==H2↑+Fe2+ (析氢腐蚀) 3、铁碳电池:(负极—Fe、正极—C、电解液 中性或碱性)
负极: 2Fe–4e-==2Fe2+ (氧化反应) 正极:O2+2H2O+4e-==4OH? (还原反应)
化学方程式 2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2 (吸氧腐蚀) 4Fe(OH)2+O2+2H2O==4Fe(OH)3
2Fe(OH)3==Fe2O3 +3 H2O (铁锈的生成过程)
4.铝镍电池:(负极—Al、正极—Ni 电解液 NaCl溶液、O2)
负极: 4Al–12e-==4Al3+ (氧化反应) 正极:3O2+6H2O+12e-==12OH?(还原反应) 化学方程式 4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3 (海洋灯标电池)
5、普通锌锰干电池:(负极—Zn、正极—C 、电解液NH4Cl、MnO2的糊状物)
负极:Zn–2e-==Zn2+ (氧化反应) 正极:2MnO2+2H++2e-==Mn2O3+H2O (还原反应) 化学方程式 Zn+2NH4Cl+2MnO2=ZnCl2+Mn2O3+2NH3↑ 6、碱性锌锰干电池:(负极—Zn、正极—C、 电解液KOH 、MnO2的糊状物) 负极: Zn + 2OH– 2e-== Zn(OH)2 (氧化反应)
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正极:2MnO2 + 2H2O + 2e-==2MnOOH +2 OH (还原反应) 化学方程式 Zn +2MnO2 +2H2O == Zn(OH)2 + MnOOH 7、银锌电池:(负极—Zn、正极--Ag2O、电解液NaOH ) 负极 :Zn+2OH––2e-== Zn(OH)2 (氧化反应)
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正极 :Ag2O + H2O + 2e-== 2Ag + 2 OH (还原反应) 化学方程式 Zn + Ag2O + H2O == Zn(OH)2 + 2Ag 8、铝–空气–海水(负极--铝、正极--石墨、铂网等能导电的惰性材料、电解液--海水) 负极 :4Al-12e==4Al3+ (氧化反应) 正极 :3O2+6H2O+12e==12OH (还原反应)
总反应式为: 4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3 (铂网增大与氧气的接触面) 9、镁---铝电池 (负极--Al、正极--Mg 电解液KOH)
负极(Al): 2Al + 8 OH–- 6e- = 2AlO2–+4H2O (氧化反应) 正极(Mg): 6H2O + 6e- = 3H2↑+6OH– (还原反应) 化学方程式: 2Al + 2OH– + 2H2O = 2AlO2–+ 3H2
10、锂电池一型:(负极--金属锂、正极--石墨、电解液LiAlCl4 -SOCl2)
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负极 :8Li -8e=8 Li + (氧化反应)
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正极 :3SOCl2+8e=SO32+2S+6Cl (还原反应) 化学方程式 8Li+ 3SOCl2 === Li2SO3 + 6LiCl + 2S,
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二次电池(又叫蓄电池或充电电池)
1、铅蓄电池:(负极—Pb 正极—PbO2 电解液— 浓硫酸)
放电时 负极: Pb-2e-+SO42-
=PbSO4 (氧化反应)
正极: PbO2+2e-+4H++SO42-
=PbSO4+2H2O (还原反应)
充电时 阴极: PbSO4 + 2H+ + 2e-== Pb+H2SO4 (还原反应)
阳极: PbSO4 + 2H2O - 2e-== PbO2 + H2SO4 + 2H+ (氧化反应)
总化学方程式 Pb+PbO2 + 2H2SO4
放电充电2PbSO4+2H2O
2、铁--镍电池:(负极-- Fe 、正极—NiO 2、电解质溶液为KOH溶液)
放电时 负极: Fe-2e—+ 2 OH– == Fe (OH)2 (氧化反应)
正极: NiO2 + 2H2O + 2e—== Ni(OH)2 + 2 OH– (还原反应)
充电时 阴极: Fe (OH)2 + 2e—== Fe + 2 OH– (还原反应)
阳极: Ni(OH)2 -2e—+ 2 OH– == NiO 2 + 2H2O (氧化反应) 总化学方程式 Fe + NiO 放电2+ 2H2O
充电 Fe (OH)2 + Ni(OH)2
3、LiFePO4电池(正极—LiFePO4,负极—石墨,含Li+导电固体为电解质)
放电时 负极: Li - e— ==Li + (氧化反应)
正极: FePO4 + Li+ + e—== LiFePO4 (还原反应)
充电时: 阴极: Li+ + e—== Li (还原反应)
阳极: LiFePO4-e—== FePO4 + Li+ (氧化反应)
总化学方程式 FePO4 + Li
放电充电 LiFePO4
4、镍--镉电池(负极--Cd 、正极—NiOOH、电解质溶液为KOH溶液)
Ni(OH)2+Cd(OH)2
放电时 负极: Cd -2e—+ 2 OH– == Cd(OH)2 (氧化反应) 正极: 2NiOOH + 2e— + 2H2O == 2Ni(OH)2+ 2OH– 原反应)
充电时 阴极: Cd(OH)2 + 2e—== Cd + 2 OH– (还原反应)
阳极:2 Ni(OH)2 -2e—+ 2 OH– == 2NiOOH + 2H2O (氧化反应)
总化学方程式 Cd + 2NiOOH + 2H放电2O
充电Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
5、氢--镍电池:(负极-LaNi5储氢合金、正极—NiOOH、电解质KOH+LiOH)
放电时 负极: LaNi5H 6-6e—+ 6OH–== LaNi5 + 6H2O (氧化反应)
正极: 6NiOOH +6e—+ 6H2O ==6 Ni(OH)2 + 6OH– (还原反应)
充电时 阴极: LaNi5 +6e—+ 6H2O== LaNi5H 6+ 6OH– (还原反应)
阳极: 6 Ni(OH)2 -6e—+ 6OH–== 6NiOOH + 6H2O (氧化反应)
总化学方程式 LaNi5H 6 + 6NiOOH
放电充电LaNi5 + 6Ni(OH)2
6、高铁电池:(负极—Zn、正极---石墨、电解质为浸湿固态碱性物质)
放电时 负极:3Zn -6e- + 6 OH–== 3 Zn(OH)2 (氧化反应)
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(还
正极:2FeO42— +6e-+ 8H2O ==2 Fe (OH)3 + 10OH– (还原反应)
充电时 阴极:3Zn(OH)2 +6e-==3Zn + 6 OH– (还原反应)
阳极:2Fe(OH)3 -6e-+ 10OH–==2FeO42—+ 8H2O (氧化反应) 总化学方程式 3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O
放电充电3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH
7、锂电池二型(负极LiC6、正极含锂的二氧化钴LiCoO2、充电时LiCoO2中Li被氧化,
Li+还原以Li原子形式嵌入电池负极材料碳C6中,以LiC6表示)
放电时 负极: LiC6 – xe- = Li(1-x)C6 + x Li+ (氧化反应)
正极: Li(1-x)CoO2 + xe- + x Li+ == LiCoO2 (还原反应)
充电时 阴极: Li(1-x)C6 + x Li+ + xe- =LiC6 (还原反应) 阳极: LiCoO2 – xe- = Li(1-x)CoO2 + x Li+ (氧化反应)
总反应方程式 Li(1-x)CoO2 + LiC6
放电充电 LiCoO2 + Li(1-x)C6
燃料电池
根据题意叙述书写常见于燃料电池,由于燃料电池的优点较多,成为了近年高考的方向。燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池,它与原电池形成条件有一点相悖,就是不一定两极是两根活动性不同的电极,也可以用相同的两根电极。解决此类问题必须抓住一点:燃料电池反应实际上等同于燃料的燃烧反应,但要特别注意介质对产物的影响。 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:H2 – 2e- + 2OH— === 2H2O (氧化反应) 正极:O2 + H2O + 4e- === OH—(还原反应) 总反应方程式 2H2 + O2 === 2H2O
2、电解质是H2SO4溶液(酸性电解质) 负极:H2 –2e- === 2H+ (氧化反应)
正极:O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O (还原反应) 总反应方程式 2H2 + O2 === 2H2O 负极:H2 – 2e- === 2H+(氧化反应)
正极:O2 + H2O + 4e- === 4OH— 总反应方程式 2H2 + O2 === 2H2O
说明1、碱性溶液反应物、生成物中均无H+ 2、.水溶液中不能出现O2-
3、中性溶液反应物中无H+ 和OH-— 4、酸性溶液反应物、生成物中均无OH- 二、甲醇燃料电池
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3、电解质是NaCl溶液(中性电解质)