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《燃料电池电极方程式的书写》教学设计

汨罗市第一中学 金超云

【课程说明】本教学片段的内容选自人教版普通高中化学选修4《化学反应原理》第四章《电化学基础》，适用于高二、高三年级偏理的学生。

【教学背景】原电池知识是中学化学中的重要基本概念，近年的高考通常以新型燃料电池、比能量高的的新型电池为载体，考查原电池的工作原理，考查的角度主要有电极方程式的书写或正误判断，离子移动的方向等。其中让学生感到最困难的是电极反应式的书写，特别是燃料电池的电极反应式的书写。我们可以从课本知识中总结规律，以应对各种燃料电池电极反应式的书写。

【教学目标】以氢氧燃料电池为基础，掌握不同介质中燃料电池电极反应式的书写。

【教学重点、难点】燃料电池电极反应式的书写。

【教学方法】讲授法、演示法

【教学过程】

[导入]燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置，是近年高考的热点，也是学生学习的难点。燃料电池的种类繁多，但燃料电池反应的本质都是氧化还原反应。

[图片展示] 人教版选修4教材重点介绍了酸性介质中的氢氧燃料电池。

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[小结] 燃料电池电极反应式的书写要点：

(1)准确判断电极：燃料在负极失去电子发生氧化反应

氧化剂在正极得到电子发生还原反应

(2)要考虑电解质溶液（或传导介质）的参与

(3)准确判断电极产物

(4)准确判断得失电子的数目

【讲授】如果把燃料电池的电解质改变为碱性电解质或者其它传导介质呢？

种类

负极反应式

正极反应式

酸作介质

2H2－4e===4H

O2＋4e＋4H===2H2O

种类

负极反应式

正极反应式

熔融金属氧化物作介质

（高温传导O）

2H2－4e＋2O===2H2O O2＋4e===2O

－2-－2-2-－＋－＋碱作介质

2H2－4e＋4OH===4H2O O2＋2H2O＋4e===4OH

－－－－熔融碳酸盐作介质

2H2－4e＋2CO3===2H2O＋2CO2

O2+2CO2+4e＝2CO3

－2－－2-【讲授】在不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写，同学们感觉最棘手的是什么呢？一是电极产物的判断，二是得失电子数目的判断。

【例题1】如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，

具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场

酒精检测。该电池的正极反应式为 。

负极反应式为 。

【解题思路和步骤】

首先判断：CH3CH2OH是燃料在负极反应，电极产物是CH3COOH；O2是氧化剂在正极反应，电极产物是H2O 其次判断：1molCH3CH2OH在负极失去4mol电子生成CH3COOH，利用电荷守恒的方法配平即得到负极反应式为：CH3CH2OH－4e＋H2O ===CH3COOH＋4H+－+ 1mol O2在正极得到4mol电子后结合H生成H2O，利用电荷守恒配平得到正极反应式为：

O2＋4e＋4H=== 2H2O

- 2 - －+

【例题2】据报道，以硼氢化合物NaBH4(B元素的化合价为＋3价)和H2O2作原料的燃料电池可用作空军通信卫星电源，负极材料采用Pt/C，正极材料采用MnO2，其工作原理如图所示。该电池的正极反应式为 。

负极反应式为 。

【解题思路和步骤】

首先判断：NaBH4是燃料在负极反应，电极产物是BO2；H2O2是氧化剂在正极反应，电极产物是OH

其次判断：1mol NaBH4在负极失去8mol电子后生成BO2和H2O，利用电荷守恒的方法配平即得到负极反应式为：BH4－8e＋8OH

=== BO2＋ 6H2O－－－－-

--－1mol H2O2在正极得2mol电子生成OH，利用电荷守恒配平得正极反应式为：H2O2＋2e===2OH

【例题3】CO无色无味有毒，世界各国每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一种CO分析仪的工作原理如图所示，该装置中电解质为氧化钇—氧化钠，其中O可以在固体介质NASICON中自由移动。

该电池的正极反应式为 。

负极反应式为 。

【解题思路和步骤】

首先判断：CO是燃料在负极反应，电极产物是CO2；O2是氧化剂在正极反应，电极产物是O

其次判断：1mol CO在负极失去2mol电子后生成CO2，利用电荷守恒的方法配平即得到负极反应式为：CO－2e＋O=== CO2 1mol O2在正极得到4mol电子后生成O，正极反应式为：O2 ＋ 4e === 2O

【例题4】熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视。某燃料电池以熔融的K2CO3(其中不含O和HCO3)为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。则该燃料电池正极电极反应式为： ；

负极电极反应式为 。

【解题思路和步骤】

首先判断：C4H10是燃料在负极反应，电极产物是CO2和H2O；O2是氧化剂在正极反应，电极产物

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是CO3。

其次判断：1mol C4H10在负极失去26mol电子后生成CO2

和H2O，利用电荷守恒的方法配平即得到负极反应式为： C4H10＋13CO3－26e===17CO2＋5H2O

1mol O2在正极得到4mol电子后结合CO2生成CO3，利用电荷守恒的方法配平即得到正极反应式为：O2+2CO2+4e===2CO3。

【讲授】有些燃料电池的电极产物比较难找，或者得失电子的数目难把握，我们也可以用总反应方程式减去正极反应（或者负极反应）得到负极反应（或者正极反应）。比如例题4也可以如下解答：

首先根据题意写出燃料燃烧的化学方程式：2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O，题中已知电解质为熔融的K2CO3(其中不含O和HCO3)，故该反应生成的产物不会与电解质K2CO3反应，所以总反应式即为2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O 。

然后分析总反应式中电子转移的方向和数目。在反应中每1molO2能得到4mole，所以该反应中13molO2得到了52mole，也意味着2molC4H10在反应中失去了52mole。

在熔融碳酸盐环境下正极反应式：13O2+26CO2+52e===26CO3。

最后直接用总反应式减去正极反应式即得负极反应式：2C4H10＋26CO3－52e===34CO2＋10H2O 【总结】不同的燃料电池使用的燃料、氧化剂以及导电介质可能各不相同，书写燃料电池电极反应式最难把握的就是氧化剂、燃料得失电子后与导电介质的后续反应可能各不相同。我们在书写电极反应时一定特别注意导电介质离子的参与并结合电荷守恒的原理配平电极反应式。

【教学反思】对于燃料电池的知识来说，最重要的是明白原电池的基本工作原理，尤其是正负极的判断和电极反应方程式的书写。学生最大的困惑就是燃料电池五花八门，参与反应的物质和参与导电的介质可能各不相同。学生尤其对导电介质参与到电池总反应和电极反应的问题茫然无措。但我们究其根源，发现燃料电池不管表象如何变化，其本质是相同的。如果我们能熟练掌握燃料电池的本质，举一反三，那么难题也就迎刃而解了。我以氢氧燃料电池为基础，通过改变题设条件帮助学生建立燃料电池解题的思维模型，顺利地解决了燃料电池的相关问题，突出了重点，有效地突破了难点，学生反映良好。

2－－－2－---2－－－2－2－2－－2－

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