鉅大LARGE | 點擊量：10548次 | 2019年08月23日
酸性和堿性甲烷燃料電池電極反應(yīng)式
甲烷燃料電池是化學電池中的氧化還原電池。燃料電池是燃料和氧化劑（一般是氧氣）在電極附近參與原電池反應(yīng)的化學電源。
甲烷（CH4）燃料電池就是用沼氣（主要成分為CH4）作為燃料的電池，與氧化劑O2反應(yīng)生成CO2和H2O.反應(yīng)中得失電子就可產(chǎn)生電流從而發(fā)電。美國科學家設(shè)計出以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池。燃料電池使用氣體燃料和氧氣直接反應(yīng)產(chǎn)生電能，其效率高、污染低，是一種很有前途的能源利用方式。但傳統(tǒng)燃料電池使用氫為燃料，而氫既不易制取又難以儲存，導(dǎo)致燃料電池成本居高不下。
科研人員曾嘗試用便宜的碳氫化合物為燃料，但化學反應(yīng)產(chǎn)生的殘渣很容易積聚在鎳制的電池正極上，導(dǎo)致斷路。美國科學家使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極，解決了殘渣積聚問題。這種新電池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5種物質(zhì)作為燃料。
酸性和堿性的各是什么？
一、因為燃料電池正極反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。⑴電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋4H++4e-=2H2O。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
⑵電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）
在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2＋2H2O+4e-=4OH-。
⑶電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物）
在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應(yīng)式為O2＋2CO2+4e-=2CO32-。
⑷電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯氧化釔）
該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為O2＋4e-=2O2-。
二、兩個電極上的反應(yīng)是兩個半反應(yīng)，如果單看一個電極的話，反應(yīng)的電子是不守恒的。為了更好地表現(xiàn)出每個電極的反應(yīng)狀況，分開寫更合適。
原電池，是利用兩個電極之間金屬性的不同，產(chǎn)生電勢差，從而使電子的流動，產(chǎn)生電流。又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應(yīng)不同逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學能轉(zhuǎn)換為電能，簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池相對。
將化學能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。所以，根據(jù)定義，普通的干電池、燃料電池都可以稱為原電池。組成原電池的基本條件是：將兩種活潑性不同的金屬（或石墨）（pt和石墨為惰性電極，即本身不會得失電子）用導(dǎo)線連接后插入電解質(zhì)溶液中。電流的產(chǎn)生是由于氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個電極上進行的結(jié)果。一般情況下，原電池中，較活潑的金屬做負極，較不活潑的金屬做正極。負極本身易失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子沿導(dǎo)線流向正極，正極上一般為電解質(zhì)溶液中的陽離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)。在原電池中，外電路為電子導(dǎo)電，電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。
原電池primarybattery一種將活性物質(zhì)中化學能通過氧化還原反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能輸出的裝置。又稱化學電池。由于各種型號的原電池氧化還原反應(yīng)的可逆性很差，放完電后，不能重復(fù)使用，故又稱一次電池。它通常由正電極、負電極、電解質(zhì)、隔離物和殼體構(gòu)成，可制成各種形狀和不同尺寸，使用方便。廣泛用于工農(nóng)業(yè)、特種工業(yè)和通信、照明、醫(yī)療等部門，并成為日常生活中收音機、錄音機、照相機、計算器、電子表、玩具、助聽器等常用電器的電源。原電池一般按負極活性物質(zhì)（如鋅、鎘、鎂、鋰等）和正極活性物質(zhì)（如錳、汞、二氧化硫、氟化碳等）分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。鋅錳電池產(chǎn)量最大，常按電解質(zhì)分為氯化銨型和氯化鋅型，并按其隔離層分為糊式電池和低極電池。以氫氧化鉀為電解質(zhì)的鋅錳電池，由于其負極（鋅）的構(gòu)造與其他鋅錳電池不同而習慣上另作一類，稱為堿性鋅錳電池，簡稱堿錳電池［1］，俗稱堿性電池。
原電池是一類使化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的換能裝置。原電池連續(xù)放電或間歇放電后不能以反向電流充電的方法使兩電極的活性物質(zhì)回復(fù)到初始狀態(tài)，即電極活性物質(zhì)只能利用一次。故亦稱一次性電池。［編輯本段］常見的原電池常用原電池有鋅－錳干電池、鋅－汞電池、鋅－銀扣式電池及鋰電池等。
1鋅－錳干電池：鋅－錳電池具有原材料來源豐富、工藝簡單，價格便宜、使用方便等優(yōu)點，成為人們使用最多、最廣泛的電池品種。鋅－錳電池以鋅為負極，以二氧化錳為正極。按照基本結(jié)構(gòu)，鋅－錳電池可制成圓筒形、扣式和扁形，扁形電池不能單個使用，可組合疊層電池（組）。按照所用電解液的差別將鋅－錳電池分為三個類型：
（1）銨型鋅－錳電池：電解質(zhì)以氯化銨為主，含少量氯化鋅。
電池符號：（－）Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2（+）
總電池反應(yīng)：Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn（NH3）2Cl2+2MnO（OH）
（2）鋅型鋅－錳電池：又稱高功率鋅－錳電池，電解質(zhì)為氯化鋅，具有防漏性能好，能大功率放電及能量密度較高等優(yōu)點，是鋅－錳電池的第二代產(chǎn)品，20世紀70年代初首先由德國推出。與銨型電池相比鋅型電池長時間放電不產(chǎn)生水，因此電池不易漏液。
電池符號：（－）Zn│ZnCl2│MnO2（+）
總電池反應(yīng)（長時間放電）：
Zn+2Zn（OH）Cl+6MnO（OH）=ZnCl2·2ZnO·4H2O+2Mn3O4
（3）堿性鋅－錳電池：這是鋅－錳電池的第三代產(chǎn)品，具有大功率放電性能好、能量密度高和低溫性能好等優(yōu)點。
電池符號：（－）Zn│KOH│MnO2（+）
總電池反應(yīng)：Zn+2H2O+2MnO2=2MnO（OH）+Zn（OH）2
鋅－錳電池額定開路電壓為1.5V，實際開路電壓1.5－1.8V，其工作電壓與放電負荷有關(guān)，負荷越重或放電電阻越小，閉路電壓越低。用于手電筒照明時，典型終止電壓為0.9V，某些收音機允許電壓降至0.75V。
2．鋰原電池：又稱鋰電池，是以金屬鋰為負極的電池總稱。鋰的電極電勢最負相對分子質(zhì)量最小，導(dǎo)電性良好，可制成一系列貯存壽命長，工作溫度范圍寬的高能電池。根據(jù)電解液和正極物質(zhì)的物理狀態(tài)，鋰電池有三種不同的類型，即：固體正極有機電解質(zhì)電池、液體正極液體電解質(zhì)電池、固體正極固體電解質(zhì)電池。Li（CF）n的開路電壓為3.3V，比能量為480W·h·L-1，工作溫度在-55~70℃間，在20℃下可貯存10年之久！它們都是近年來研制的新產(chǎn)品，目前主要用于特種、空間技術(shù)等特殊領(lǐng)域，在心臟起搏器等微、小功率場合也有應(yīng)用。吸氧腐蝕金屬在酸性很弱或中性溶液里，空氣里的氧氣溶解于金屬表面水膜中而發(fā)生的電化腐蝕，叫吸氧腐蝕．
例如鋼鐵在接近中性的潮濕的空氣中腐蝕屬于吸氧腐蝕，其電極反應(yīng)如下：
負極（Fe）：Fe-2e=Fe2+
正極（C）：2H2O+O2+4e=4OH-
鋼鐵等金屬的電化腐蝕主要是吸氧腐蝕．析氫腐蝕在酸性較強的溶液中發(fā)生電化腐蝕時放出氫氣，這種腐蝕叫做析氫腐蝕。在鋼鐵制品中一般都含有碳。在潮濕空氣中，鋼鐵表面會吸附水汽而形成一層薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就變成一種電解質(zhì)溶液，使水里的H+增多。是就構(gòu)成無數(shù)個以鐵為負極、碳為正極、酸性水膜為電解質(zhì)溶液的微小原電池。這些原電池里發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是：
負極（鐵）：鐵被氧化Fe-2e=Fe2+；
正極（碳）：溶液中的H+被還原2H++2e=H2↑
這樣就形成無數(shù)的微小原電池。最后氫氣在碳的表面放出，鐵被腐蝕，所以叫析氫腐蝕。
析氫腐蝕定義金屬在酸性較強的溶液中發(fā)生電化腐蝕時放出氫氣，這種腐蝕叫做析氫腐蝕。原電池的形成條件原電池的工作原理原電池反應(yīng)屬于放熱的氧化還原反應(yīng)，但區(qū)別于一般的氧化還原反應(yīng)的是，電子轉(zhuǎn)移不是通過氧化劑和還原劑之間的有效碰撞完成的，而是還原劑在負極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路輸送到正極上，氧化劑在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉(zhuǎn)移。兩極之間溶液中離子的定向移動和外部導(dǎo)線中電子的定向移動構(gòu)成了閉合回路，使兩個電極反應(yīng)不斷進行，發(fā)生有序的電子轉(zhuǎn)移過程，產(chǎn)生電流，實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)化。
從能量轉(zhuǎn)化角度看，原電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置；從化學反應(yīng)角度看，原電池的原理是氧化還原反應(yīng)中的還原劑失去的電子經(jīng)導(dǎo)線傳遞給氧化劑，使氧化還原反應(yīng)分別在兩個電極上進行。原電池的構(gòu)成條件有三個：
（1）電極材料由兩種金屬活動性不同的金屬或由金屬與其他導(dǎo)電的材料（非金屬或某些氧化物等）組成。
（2）兩電極必須浸泡在電解質(zhì)溶液中。
（3）兩電極之間有導(dǎo)線連接，形成閉合回路。只要具備以上三個條件就可構(gòu)成原電池。而化學電源因為要求可以提供持續(xù)而穩(wěn)定的電流，所以除了必須具備原電池的三個構(gòu)成條件之外，還要求有自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)。也就是說，化學電源必須是原電池，但原電池不一定都能做化學電池。
形成前提：總反應(yīng)為自發(fā)的氧化還原反應(yīng)
電極的構(gòu)成：
a.活潑性不同的金屬鋅銅原電池，鋅作負極，銅作正極；b.金屬和非金屬（非金屬必須能導(dǎo)電）鋅錳干電池，鋅作負極，石墨作正極；c.金屬與化合物鉛蓄電池，鉛板作負極，二氧化鉛作正極；d.惰性電極氫氧燃料電池，電極均為鉑。
電解液的選擇：電解液一般要能與負極材料發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。原電池正負極判斷：
負極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子；正極發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子。
電子由負極流向正極，電流由正極流向負極。溶液中，陽離子移向正極，陰離子移向負極電極反應(yīng)方程式的書寫負極：活潑金屬失電子，看陽離子能否在電解液中大量存在。如果金屬陽離子不能與電解液中的離子共存，則進行進一步的反應(yīng)。
例：甲烷燃料電池中，電解液為KOH，負極甲烷失8個電子生成CO2和H2O，但CO2不能與OH-共存，要進一步反應(yīng)生成碳酸根。
正極：①當負極材料能與電解液直接反應(yīng)時，溶液中的陽離子得電子。例：鋅銅原電池中，電解液為HCl，正極H+
得電子生成H2。②當負極材料不能與電解液反應(yīng)時，溶解在電解液中的O2得電子。如果電解液呈酸性，O2+4e-+4H+==2H2O；如果電解液呈中性或堿性，O2+4e-+2H2O==4OH-。
特殊情況：Mg-Al-NaOH，Al作負極。負極：Al-3e-+4OH-==AlO2-+2H2O；正極：2H2O+2e-==H2↑+2OH-
Cu-Al-HNO3，Cu作負極。
注意：Fe作負極時，氧化產(chǎn)物是Fe2+而不可能是Fe3+；肼（N2H4）和NH3的電池反應(yīng)產(chǎn)物是H2O和N2
無論是總反應(yīng)，還是電極反應(yīng)，都必須滿足電子守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒。pH變化規(guī)律
電極周圍：消耗OH-（H+），則電極周圍溶液的pH減?。ㄔ龃螅?；反應(yīng)生成OH-（H+），則電極周圍溶液的pH增大（減?。?/p>
溶液：若總反應(yīng)的結(jié)果是消耗OH-（H+），則溶液的pH減?。ㄔ龃螅?；若總反應(yīng)的結(jié)果是生成OH-（H+），則溶液的pH增大（減?。?；若總反應(yīng)消耗和生成OH-（H+）的物質(zhì)的量相等，則溶液的pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。
常用原電池方程式
1．Cu─H2SO4─Zn原電池
正極：2H++2e-==H2↑負極：Zn-2e-==Zn2+
總反應(yīng)式：Zn+2H+==Zn2++H2↑
2．Cu─FeCl3─C原電池正極：2Fe3++2e-==2Fe2+
負極：Cu-2e-==Cu2+
總反應(yīng)式：2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+
3．鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生吸氧腐蝕
正極：O2+2H2O+4e-==4OH-
負極：2Fe-4e-==2Fe2+
總反應(yīng)式：2Fe+O2+2H2O==2Fe（OH）2
4．氫氧燃料電池（中性介質(zhì)）
正極：O2+2H2O+4e-==4OH-
負極：2H2-4e-==4H+
總反應(yīng)式：2H2+O2==2H2O
5．氫氧燃料電池（酸性介質(zhì)）
正極：O2+4H++4e-==2H2O
負極：2H2-4e-==4H+
總反應(yīng)式：2H2+O2==2H2O
6．氫氧燃料電池（堿性介質(zhì)）
正極：O2+2H2O+4e-==4OH-
負極：2H2-4e-+4OH-==4H2O
總反應(yīng)式：2H2+O2==2H2O
7．鉛蓄電池（放電）
正極（pbO2）：
pbO2+2e-+SO42-+4H+==pbSO4+2H2O
負極（pb）：pb-2e-+SO42-==pbSO4
總反應(yīng)式：
pb+pbO2+4H++2SO42-==2pbSO4+2H2O
8．Al─NaOH─Mg原電池
正極：6H2O+6e-==3H2↑+6OH-
負極：2Al-6e-+8OH-==2AlO2-+4H2O
總反應(yīng)式：2Al+2OH-+2H2O==2AlO2-+3H2↑
9．CH4燃料電池（堿性介質(zhì)）
正極：2O2+4H2O+8e-==8OH-
負極：CH4-8e-+10OH-==CO32-+7H2O
總反應(yīng)式：CH4+2O2+2OH-==CO32-+3H2O*
10．熔融碳酸鹽燃料電池
（Li2CO3和Na2CO3熔融鹽作電解液，CO作燃料）：
正極：O2+2CO2+4e-==2CO32-（持續(xù)補充CO2氣體）
負極：2CO+2CO32--4e-==4CO2
總反應(yīng)式：2CO+O2==2CO2
11．銀鋅紐扣電池（堿性介質(zhì)）
正極（Ag2O）：Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-
負極（Zn）：Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O
總反應(yīng)式：Zn+Ag2O==ZnO+2Ag
1.物質(zhì)在陽極是被氧化的啊，物質(zhì)在陰極是被還原的！
金屬活動順序表KCaNaMgAlZnFeSnpbhCuHgAgptAu
還有要說一下的是，物質(zhì)在負極是被氧化的，物質(zhì)在正極被還原。分別正負電極，通常是比較電極的金屬活潑性！較活潑的是負極，另外一個就是正極！要注意的是有特別情況，例如Al，Mg電解質(zhì)是NaOH溶液。這個時候就是Al為負極，因為Mg不和NaOH反應(yīng)！
陰陽極的分別方法是，連接電源正極的就是陽極，連接電源負極的就是陰極。
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