钜大LARGE | 点击量：10511次 | 2019年08月23日
酸性和碱性甲烷燃料电池电极反应式
甲烷燃料电池是化学电池中的氧化还原电池。燃料电池是燃料和氧化剂（一般是氧气）在电极附近参与原电池反应的化学电源。
甲烷（CH4）燃料电池就是用沼气（主要成分为CH4）作为燃料的电池，与氧化剂O2反应生成CO2和H2O.反应中得失电子就可产生电流从而发电。美国科学家设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。燃料电池使用气体燃料和氧气直接反应产生电能，其效率高、污染低，是一种很有前途的能源利用方式。但传统燃料电池使用氢为燃料，而氢既不易制取又难以储存，导致燃料电池成本居高不下。
科研人员曾尝试用便宜的碳氢化合物为燃料，但化学反应产生的残渣很容易积聚在镍制的电池正极上，导致断路。美国科学家使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极，解决了残渣积聚问题。这种新电池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种物质作为燃料。
酸性和碱性的各是什么？
一、因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）
在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O+4e-=4OH-。
⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）
在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。
⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆氧化钇）
该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。
二、两个电极上的反应是两个半反应，如果单看一个电极的话，反应的电子是不守恒的。为了更好地表现出每个电极的反应状况，分开写更合适。
原电池，是利用两个电极之间金属性的不同，产生电势差，从而使电子的流动，产生电流。又称非蓄电池，是电化电池的一种，其电化反应不同逆转，即是只能将化学能转换为电能，简单说就即是不能重新储存电力，与蓄电池相对。
将化学能转变成电能的装置。所以，根据定义，普通的干电池、燃料电池都可以称为原电池。组成原电池的基本条件是：将两种活泼性不同的金属（或石墨）（pt和石墨为惰性电极，即本身不会得失电子）用导线连接后插入电解质溶液中。电流的产生是由于氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行的结果。一般情况下，原电池中，较活泼的金属做负极，较不活泼的金属做正极。负极本身易失电子发生氧化反应，电子沿导线流向正极，正极上一般为电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应。在原电池中，外电路为电子导电，电解质溶液中为离子导电。
原电池primarybattery一种将活性物质中化学能通过氧化还原反应直接转换成电能输出的装置。又称化学电池。由于各种型号的原电池氧化还原反应的可逆性很差，放完电后，不能重复使用，故又称一次电池。它通常由正电极、负电极、电解质、隔离物和壳体构成，可制成各种形状和不同尺寸，使用方便。广泛用于工农业、特种工业和通信、照明、医疗等部门，并成为日常生活中收音机、录音机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等常用电器的电源。原电池一般按负极活性物质（如锌、镉、镁、锂等）和正极活性物质（如锰、汞、二氧化硫、氟化碳等）分为锌锰电池、锌空气电池、锌银电池、锌汞电池、镁锰电池、锂氟化碳电池、锂二氧化硫电池等。锌锰电池产量最大，常按电解质分为氯化铵型和氯化锌型，并按其隔离层分为糊式电池和低极电池。以氢氧化钾为电解质的锌锰电池，由于其负极（锌）的构造与其他锌锰电池不同而习惯上另作一类，称为碱性锌锰电池，简称碱锰电池［1］，俗称碱性电池。
原电池是一类使化学能直接转换成电能的换能装置。原电池连续放电或间歇放电后不能以反向电流充电的方法使两电极的活性物质回复到初始状态，即电极活性物质只能利用一次。故亦称一次性电池。［编辑本段］常见的原电池常用原电池有锌－锰干电池、锌－汞电池、锌－银扣式电池及锂电池等。
1锌－锰干电池：锌－锰电池具有原材料来源丰富、工艺简单，价格便宜、使用方便等优点，成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌－锰电池以锌为负极，以二氧化锰为正极。按照基本结构，锌－锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形，扁形电池不能单个使用，可组合叠层电池（组）。按照所用电解液的差别将锌－锰电池分为三个类型：
（1）铵型锌－锰电池：电解质以氯化铵为主，含少量氯化锌。
电池符号：（－）Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2（+）
总电池反应：Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn（NH3）2Cl2+2MnO（OH）
（2）锌型锌－锰电池：又称高功率锌－锰电池，电解质为氯化锌，具有防漏性能好，能大功率放电及能量密度较高等优点，是锌－锰电池的第二代产品，20世纪70年代初首先由德国推出。与铵型电池相比锌型电池长时间放电不产生水，因此电池不易漏液。
电池符号：（－）Zn│ZnCl2│MnO2（+）
总电池反应（长时间放电）：
Zn+2Zn（OH）Cl+6MnO（OH）=ZnCl2·2ZnO·4H2O+2Mn3O4
（3）碱性锌－锰电池：这是锌－锰电池的第三代产品，具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。
电池符号：（－）Zn│KOH│MnO2（+）
总电池反应：Zn+2H2O+2MnO2=2MnO（OH）+Zn（OH）2
锌－锰电池额定开路电压为1.5V，实际开路电压1.5－1.8V，其工作电压与放电负荷有关，负荷越重或放电电阻越小，闭路电压越低。用于手电筒照明时，典型终止电压为0.9V，某些收音机允许电压降至0.75V。
2．锂原电池：又称锂电池，是以金属锂为负极的电池总称。锂的电极电势最负相对分子质量最小，导电性良好，可制成一系列贮存寿命长，工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态，锂电池有三种不同的类型，即：固体正极有机电解质电池、液体正极液体电解质电池、固体正极固体电解质电池。Li（CF）n的开路电压为3.3V，比能量为480W·h·L-1，工作温度在-55~70℃间，在20℃下可贮存10年之久！它们都是近年来研制的新产品，目前主要用于特种、空间技术等特殊领域，在心脏起搏器等微、小功率场合也有应用。吸氧腐蚀金属在酸性很弱或中性溶液里，空气里的氧气溶解于金属表面水膜中而发生的电化腐蚀，叫吸氧腐蚀．
例如钢铁在接近中性的潮湿的空气中腐蚀属于吸氧腐蚀，其电极反应如下：
负极（Fe）：Fe-2e=Fe2+
正极（C）：2H2O+O2+4e=4OH-
钢铁等金属的电化腐蚀主要是吸氧腐蚀．析氢腐蚀在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。在钢铁制品中一般都含有碳。在潮湿空气中，钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H+增多。是就构成无数个以铁为负极、碳为正极、酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。这些原电池里发生的氧化还原反应是：
负极（铁）：铁被氧化Fe-2e=Fe2+；
正极（碳）：溶液中的H+被还原2H++2e=H2↑
这样就形成无数的微小原电池。最后氢气在碳的表面放出，铁被腐蚀，所以叫析氢腐蚀。
析氢腐蚀定义金属在酸性较强的溶液中发生电化腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。原电池的形成条件原电池的工作原理原电池反应属于放热的氧化还原反应，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流，实现化学能向电能的转化。
从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。原电池的构成条件有三个：
（1）电极材料由两种金属活动性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成。
（2）两电极必须浸泡在电解质溶液中。
（3）两电极之间有导线连接，形成闭合回路。只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说，化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。
形成前提：总反应为自发的氧化还原反应
电极的构成：
a.活泼性不同的金属锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；b.金属和非金属（非金属必须能导电）锌锰干电池，锌作负极，石墨作正极；c.金属与化合物铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极；d.惰性电极氢氧燃料电池，电极均为铂。
电解液的选择：电解液一般要能与负极材料发生自发的氧化还原反应。原电池正负极判断：
负极发生氧化反应，失去电子；正极发生还原反应，得到电子。
电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极电极反应方程式的书写负极：活泼金属失电子，看阳离子能否在电解液中大量存在。如果金属阳离子不能与电解液中的离子共存，则进行进一步的反应。
例：甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO2和H2O，但CO2不能与OH-共存，要进一步反应生成碳酸根。
正极：①当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得电子。例：锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H+
得电子生成H2。②当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O2得电子。如果电解液呈酸性，O2+4e-+4H+==2H2O；如果电解液呈中性或碱性，O2+4e-+2H2O==4OH-。
特殊情况：Mg-Al-NaOH，Al作负极。负极：Al-3e-+4OH-==AlO2-+2H2O；正极：2H2O+2e-==H2↑+2OH-
Cu-Al-HNO3，Cu作负极。
注意：Fe作负极时，氧化产物是Fe2+而不可能是Fe3+；肼（N2H4）和NH3的电池反应产物是H2O和N2
无论是总反应，还是电极反应，都必须满足电子守恒、电荷守恒、质量守恒。pH变化规律
电极周围：消耗OH-（H+），则电极周围溶液的pH减小（增大）；反应生成OH-（H+），则电极周围溶液的pH增大（减小）。
溶液：若总反应的结果是消耗OH-（H+），则溶液的pH减小（增大）；若总反应的结果是生成OH-（H+），则溶液的pH增大（减小）；若总反应消耗和生成OH-（H+）的物质的量相等，则溶液的pH由溶液的酸碱性决定，溶液呈碱性则pH增大，溶液呈酸性则pH减小，溶液呈中性则pH不变。
常用原电池方程式
1．Cu─H2SO4─Zn原电池
正极：2H++2e-==H2↑负极：Zn-2e-==Zn2+
总反应式：Zn+2H+==Zn2++H2↑
2．Cu─FeCl3─C原电池正极：2Fe3++2e-==2Fe2+
负极：Cu-2e-==Cu2+
总反应式：2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+
3．钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀
正极：O2+2H2O+4e-==4OH-
负极：2Fe-4e-==2Fe2+
总反应式：2Fe+O2+2H2O==2Fe（OH）2
4．氢氧燃料电池（中性介质）
正极：O2+2H2O+4e-==4OH-
负极：2H2-4e-==4H+
总反应式：2H2+O2==2H2O
5．氢氧燃料电池（酸性介质）
正极：O2+4H++4e-==2H2O
负极：2H2-4e-==4H+
总反应式：2H2+O2==2H2O
6．氢氧燃料电池（碱性介质）
正极：O2+2H2O+4e-==4OH-
负极：2H2-4e-+4OH-==4H2O
总反应式：2H2+O2==2H2O
7．铅蓄电池（放电）
正极（pbO2）：
pbO2+2e-+SO42-+4H+==pbSO4+2H2O
负极（pb）：pb-2e-+SO42-==pbSO4
总反应式：
pb+pbO2+4H++2SO42-==2pbSO4+2H2O
8．Al─NaOH─Mg原电池
正极：6H2O+6e-==3H2↑+6OH-
负极：2Al-6e-+8OH-==2AlO2-+4H2O
总反应式：2Al+2OH-+2H2O==2AlO2-+3H2↑
9．CH4燃料电池（碱性介质）
正极：2O2+4H2O+8e-==8OH-
负极：CH4-8e-+10OH-==CO32-+7H2O
总反应式：CH4+2O2+2OH-==CO32-+3H2O*
10．熔融碳酸盐燃料电池
（Li2CO3和Na2CO3熔融盐作电解液，CO作燃料）：
正极：O2+2CO2+4e-==2CO32-（持续补充CO2气体）
负极：2CO+2CO32--4e-==4CO2
总反应式：2CO+O2==2CO2
11．银锌纽扣电池（碱性介质）
正极（Ag2O）：Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-
负极（Zn）：Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O
总反应式：Zn+Ag2O==ZnO+2Ag
1.物质在阳极是被氧化的啊，物质在阴极是被还原的！
金属活动顺序表KCaNaMgAlZnFeSnpbhCuHgAgptAu
还有要说一下的是，物质在负极是被氧化的，物质在正极被还原。分别正负电极，通常是比较电极的金属活泼性！较活泼的是负极，另外一个就是正极！要注意的是有特别情况，例如Al，Mg电解质是NaOH溶液。这个时候就是Al为负极，因为Mg不和NaOH反应！
阴阳极的分别方法是，连接电源正极的就是阳极，连接电源负极的就是阴极。
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