例析高考化學(xué)燃料電池電極反應(yīng)式的書寫

　　摘要：以高考化學(xué)燃料電池試題為研究對(duì)象，根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，總結(jié)歸納出五種不同電解質(zhì)環(huán)境下正極反應(yīng)式的書寫；在電負(fù)性理論的基礎(chǔ)上提出一種直接書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的新方法——“相對(duì)化合價(jià)法”，并結(jié)合例題介紹了此法在書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式時(shí)的具體運(yùn)用。
　　關(guān)鍵詞：燃料電池；電極反應(yīng)式書寫；相對(duì)化合價(jià)法；中學(xué)化學(xué)教學(xué)
　　文章編號(hào)：1005–6629（2016）12–0077–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　燃料電池（Fuel Cell）是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，燃料和氧化劑分別從負(fù)極和正極的電極微孔進(jìn)入電池體系，受到電極材料的催化分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電流。其基本構(gòu)造可表示為[1]：（-）燃料‖電解質(zhì)‖氧化劑（+）。
　　由于燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、機(jī)動(dòng)靈活、燃料多樣及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)越發(fā)受到重視。隨著新型燃料電池的日益廣泛應(yīng)用，對(duì)燃料電池的考查已成為高考的熱點(diǎn)內(nèi)容，要求學(xué)生了解燃料電池的基本工作原理，能正確書寫出常見電解質(zhì)環(huán)境中的電極反應(yīng)式。關(guān)于電極反應(yīng)式的書寫的文獻(xiàn)報(bào)道在教育界不勝枚舉，但很多文獻(xiàn)介紹的書寫方法仍然是間接的相減法，近年來也發(fā)展了直接的書寫方法，如零價(jià)法[2]、四步法[3]等，但文獻(xiàn)[2]僅介紹了負(fù)極反應(yīng)式的書寫，覆蓋面相對(duì)狹窄；而文獻(xiàn)[3]方法過于繁雜，要求學(xué)生必須對(duì)氧化還原反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)理解透徹才能夠較好地運(yùn)用，對(duì)學(xué)生來說掌握較為困難。本文以燃料電池電解質(zhì)類型的分類作為參考，總結(jié)不同燃料電池正極反應(yīng)式的書寫，建立其書寫模式，系統(tǒng)闡述了相對(duì)化合價(jià)法書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的具體運(yùn)用，為教學(xué)實(shí)踐提供參考，對(duì)學(xué)生正確、快速解題具有指導(dǎo)意義。
　　1 燃料電池總反應(yīng)式的書寫
　　3.1 相對(duì)化合價(jià)法書寫負(fù)極反應(yīng)式的理論基礎(chǔ)
　　燃料分子中不同原子之間以共價(jià)鍵方式連接，成鍵原子對(duì)鍵合電子吸引力的大小可用電負(fù)性來表示。電負(fù)性較大的成鍵原子對(duì)鍵合電子的吸引力較大，使鍵合電子偏向于該原子，導(dǎo)致其帶部分負(fù)電荷，元素化合價(jià)表現(xiàn)為負(fù)值；而電負(fù)性相對(duì)較小的原子將會(huì)帶上部分正電荷，元素化合價(jià)表現(xiàn)為正值。如有機(jī)物CH4中，C的電負(fù)性為2.5，H的電負(fù)性為2.1，鍵合電子偏向于C，導(dǎo)致C元素的化合價(jià)顯負(fù)價(jià)，而H元素則顯正價(jià)。又如有機(jī)物CH3CH2OH中，O的電負(fù)性最大，H的電負(fù)性最小，則O元素化合價(jià)表現(xiàn)為負(fù)值，H元素為正值，而C元素的化合價(jià)由H和O的具體數(shù)值確定。
　　3.2 相對(duì)化合價(jià)法書寫負(fù)極反應(yīng)式的具體步驟
　　燃料電池中，燃料在負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，先判斷燃料物質(zhì)中各元素電負(fù)性的相對(duì)大小，確定反應(yīng)前后各元素的化合價(jià)，進(jìn)而確定單位燃料物質(zhì)參與反應(yīng)失去的電子總數(shù)，即確定了燃料分子與電子數(shù)之比；再由電池所處的化學(xué)環(huán)境及電荷守恒、質(zhì)量守恒，直接書寫電池負(fù)極反應(yīng)式。下面以具體實(shí)例加以說明：
　　例5 （2009·江蘇·T12·節(jié)選）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。下列關(guān)于該電池的敘述正確的是（ ）
　　運(yùn)用相對(duì)化合價(jià)法書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式，關(guān)鍵是依據(jù)電負(fù)性的相對(duì)大小確定燃料物質(zhì)中各元素的相對(duì)化合價(jià)。一般來說，如果燃料分子中只含C、H、O三種元素，則以O(shè)元素為-2價(jià)，H元素為+1價(jià)來確定C元素的相對(duì)化合價(jià)，計(jì)算出單位燃料被氧化后失去的電子總數(shù)，確定化學(xué)計(jì)量系數(shù)之比；其次考慮電解質(zhì)環(huán)境，結(jié)合守恒原理直接書寫負(fù)極反應(yīng)式。
　　參考文獻(xiàn)：
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