甲醇氧氣燃料電池電極反應(yīng)式書(shū)寫的思維建模

甲醇氧氣燃料電池電極反應(yīng)式書(shū)寫的思維建模摘要：甲醇氧氣燃料電池電極反應(yīng)式書(shū)寫是燃料電池中相對(duì)較難的部分，通過(guò)探究甲醇氧氣燃料電池不同環(huán)境的電極反應(yīng)的機(jī)理，有利于對(duì)同類燃料電池的反應(yīng)原理的理解。如通過(guò)書(shū)寫酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液）、堿性環(huán)境（KOH溶液作為電解質(zhì)溶液）、熔融金屬氧化物（可以傳導(dǎo)O2-）、熔融的碳酸鹽四種環(huán)境中的正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式，可以建立起一種含碳、氫、氧元素燃料電池電極反應(yīng)式書(shū)寫的思維模型，以致能夠快速、準(zhǔn)確的書(shū)寫含碳、氫、氧元素燃料電池電極反應(yīng)式。關(guān)鍵詞：思維建模；基元反應(yīng)；燃料電池；電解質(zhì)溶液燃料電池電極反應(yīng)的書(shū)寫因?yàn)榄h(huán)境的不同，所涉及的反應(yīng)機(jī)理不一樣，書(shū)寫起來(lái)感覺(jué)較為復(fù)雜，但如果按照最基本的反應(yīng)（基元反應(yīng)）一步一步的書(shū)寫，最后把這幾個(gè)反應(yīng)加合起來(lái)，就可以得到最終的電極反應(yīng)式。書(shū)寫的基本思路是:按反應(yīng)的先后順序，連續(xù)寫出每一步的基元反應(yīng)，再利用產(chǎn)物，書(shū)寫下一步發(fā)生的反應(yīng)，如同鏈?zhǔn)竭B鎖反應(yīng)一樣，書(shū)寫到不能書(shū)寫為止（即直至不反應(yīng)為止），再把各個(gè)反應(yīng)式相加，得到最終的反應(yīng)式就是該電極的電極反應(yīng)式，這種方法可以較為準(zhǔn)確書(shū)寫電極反應(yīng)式，可以更好的理解和掌握基礎(chǔ)燃料電池的反應(yīng)機(jī)理。高中化學(xué)甲醇氧氣燃料電池常涉及酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液）、堿性環(huán)境（KOH溶液作為電解質(zhì)溶液）、熔融金屬氧化物（可以傳導(dǎo)O2-）環(huán)境、熔融的碳酸鹽環(huán)境等四種反應(yīng)環(huán)境。甲醇燃料電池是高中化學(xué)學(xué)習(xí)中基礎(chǔ)的燃料電池。通過(guò)甲醇燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫，可以建立起含碳、氫、氧元素燃料電池電極反應(yīng)式書(shū)寫的思維模型。一、酸性環(huán)境（稀H2SO4溶液）酸性環(huán)境中，通入燃料的一極為負(fù)極，燃料發(fā)生氧化反應(yīng)。甲醇燃料電池CH3OH被氧化后產(chǎn)物微粒通常為C4+和H+，所以負(fù)極發(fā)生的第一步反應(yīng)為：CH3OH-6e-=C4++O2-+4H+，在水溶液體系中，C4+和O2-能與水發(fā)生C4++2H2O=CO2個(gè)+4H+和O2-+2H+=H2O反應(yīng)，然后利用產(chǎn)物CO2和H+進(jìn)一步思考下一級(jí)的反應(yīng)，但H+和CO2在酸性體系中不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，反應(yīng)式不能再往下寫了，就將這幾個(gè)反應(yīng)式相加得：所得反應(yīng)式CH3OH-6e-+H2O=CO2個(gè)+6H+為酸性環(huán)境下甲醇氧氣燃料電池的負(fù)極電極反應(yīng)式。若根據(jù)電池的正負(fù)極得失電子守恒，可以寫為：2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2個(gè)+12H+。而通入氧氣的電極為電池的正極，氧氣發(fā)生還原反應(yīng)的第一步為O2+4e-=2O2-，而O2-在酸性體系中（水溶液體系）不能獨(dú)立存在，會(huì)繼續(xù)與H+發(fā)生O2-+H+=OH—反應(yīng)，OH-仍能繼續(xù)與H+發(fā)生OH-+H+=H2O反應(yīng)。而H2O在這個(gè)體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，反應(yīng)式就寫到此，這時(shí)把前面的幾個(gè)基元反應(yīng)相加得：而O2+4e-+4H+=2H2O就是甲醇氧氣燃料電池在酸性環(huán)境中的正極電極反應(yīng)式，如果按照電子轉(zhuǎn)移守恒關(guān)系來(lái)寫，則正極反應(yīng)式也可以寫為3O2+12e-+12H+=6H2O。所以在酸性環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2個(gè)+12H+；正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+12H+=6H2O；原電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2個(gè)。二、 堿性環(huán)境（稀KOH溶液）在堿性環(huán)境下，負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步為：CH3OH-6e-=C4++O2-+4H+。因?yàn)樵趬A性水溶液中，各微?？梢赃B續(xù)發(fā)生下列一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：①C4++4OH-=CO2個(gè)+2H2O；②CO2+2OH-=CO32-+H2O；③O2-+2H+=H2O；④H++OH-=H2O。而產(chǎn)物中CO32-和H2O在堿性環(huán)境中可以大量存在了，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，這時(shí)把前面的幾個(gè)基元反應(yīng)相加得：所以CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O是甲醇氧氣燃料電池堿性環(huán)境下的負(fù)極電極反應(yīng)式，或者寫為2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O。正極反應(yīng)發(fā)生的第一步為O2+4e-=2O2-，O2-在堿性體系中（水溶液體系）不能獨(dú)立存在，會(huì)繼續(xù)和H+反應(yīng)，而堿性環(huán)境中的H+是由水電離出來(lái)的，因?yàn)樗侨蹼娊赓|(zhì)，所以反應(yīng)式寫為O2-+H2O=2OH-，而OH-在堿性體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，達(dá)到反應(yīng)終點(diǎn)，這時(shí)把前面的幾個(gè)基元反應(yīng)相加得:所得反應(yīng)式O2+4e-+2H2O=4OH-就是甲醇氧氣燃料電池在堿性環(huán)境中的正極電極反應(yīng)式，或者可以寫為：3O2+12e-+6H2O=12OH-。所以在堿性環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O；正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+6H2O=12OH-；原電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2+4OH-=6H2O+2CO32-。三、 熔融金屬氧化物作介質(zhì)（能傳導(dǎo)O2-）熔融金屬氧化物作介質(zhì)的環(huán)境下，正極反應(yīng)比較容易寫，并且在書(shū)寫負(fù)極電極反應(yīng)式時(shí)需要結(jié)合正極反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子，按電子守恒來(lái)寫較容易理解，所以先將容易書(shū)寫的正極電極反應(yīng)式書(shū)寫出來(lái)。燃料電池正極氧氣被還原的第一步反應(yīng)為：O2+4e-=2O2-，而O2-熔融金屬氧化物介質(zhì)中能獨(dú)立存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，反應(yīng)式書(shū)寫到此結(jié)束，所以O(shè)2+4e-=2O2-就是甲醇氧氣燃料電池在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的正極電極反應(yīng)式，但如果負(fù)極有2molCH3OH發(fā)生氧化將失去12mole-，為了便于書(shū)寫和理解，根據(jù)正、負(fù)電極得、失電子數(shù)守恒，可以將正極反應(yīng)式書(shū)寫為：3O2+12e-=6O2-。若正極有3mol氧氣被還原生成6molO2-，轉(zhuǎn)移12mole-，根據(jù)電子守恒，負(fù)極就應(yīng)該有2molCH3OH被氧化，且產(chǎn)生8molH+。該環(huán)境下負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步為2CH3OH-12e-=2C4++8H++2O2-，生成的C4+在熔融金屬氧化物作介質(zhì)中繼續(xù)與O2-反應(yīng)即2C4++4O2-=2CO2個(gè)（因與H+的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，CO2還不能發(fā)生CO2+O2-=CO32-反應(yīng)），而H+與O2-發(fā)生了8H++4O2-=4H2O反應(yīng)，產(chǎn)物中的H2O和CO32-不會(huì)再繼續(xù)往下反應(yīng)，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，這時(shí)把前面的幾個(gè)基元反應(yīng)相加得：所得反應(yīng)式2CH3OH-12e-+6O2-=2CO2個(gè)+4H2O就是甲醇氧氣燃料在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的負(fù)極電極反應(yīng)式。所以在熔融金屬氧化物介質(zhì)的環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH3OH-12e-+6O2-=2CO2個(gè)+4H2O；正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-=6O2-；原電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2個(gè)。四、 熔融碳酸鹽作介質(zhì)在熔融碳酸鹽作介質(zhì)的環(huán)境下，為便于書(shū)寫和理解，假設(shè)負(fù)極有2molCH3OH參與反應(yīng)，根據(jù)電子守恒關(guān)系，負(fù)極發(fā)生的第一步反應(yīng)為2CH3OH-12e-=2C4++2O2-+8H+，產(chǎn)物微粒H+接著和介質(zhì)中的CO32-發(fā)生反應(yīng)8H++4CO32-=4H2O+4CO2個(gè)反應(yīng)，離子反應(yīng)因存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，所以C4+先與產(chǎn)物中O2-發(fā)生C4++2O2-=CO2個(gè)反應(yīng)，C4+再與介質(zhì)中的CO32-發(fā)生C4++2CO32-=3CO2個(gè)反與，反應(yīng)式中的產(chǎn)物H2O和CO2都不再與體系中的其它物質(zhì)反應(yīng)，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，將這四個(gè)反應(yīng)式相加得：最終的反應(yīng)式2CH3OH-12e-+6CO32-=4H2O+8CO2個(gè)就是該電池的負(fù)極電極反應(yīng)式。正極區(qū)通常通入CO2和O2的混合氣體，正極發(fā)生的第一步為3O2+12e-=6O2-，產(chǎn)生的O2-又與CO2氣體發(fā)生6O2-+6CO2=6CO32-反應(yīng)。在正極區(qū)域，因電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，CO32-能獨(dú)立存在，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，反應(yīng)式不能繼續(xù)往下寫，就將這兩個(gè)反應(yīng)式相加得：反應(yīng)式3O2+12e-+6CO2=6CO32-就是甲醇氧氣燃料電池在熔融碳酸鹽介質(zhì)中的正極電極反應(yīng)式。所以在熔融碳酸鹽作介質(zhì)的環(huán)境中，甲醇氧氣燃料電池的電極反應(yīng)式如下：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH3OH-12e-+6CO32-=4H2O+8CO2個(gè)；正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+6CO2=6CO32-；原電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2=4H2O+2