微观角度分析燃料电池的电极反应
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摘 要：通过对选修4《化学反应原理》中的“经典”H2-O2燃料电池的分析，总结在不同的电解质中，如何从微观角度上认识燃料电池的电极反应，以及掌握两电极反应式的书写。结合近几年的高考真题，强化对燃料电池的分析，加深电极反应式的书写，提高其电极附近pH值变化判断的准确性。
燃料电池是原电池中一种重要的电池，在工业、航空、新能源汽车中的应用广泛。中学化学教材高中选修4《化学反应原理》中专门介绍了燃料电池，由于中学的实验室条件有限，难以用实验直观呈现燃料电池的所有过程，导致学生难于准确掌握燃料电池的电极反应式的书写以及相应电极负极的pH变化情况。在高考中，燃料电池的考核是热点，如何让学生认识燃料电池，并快速而准确书写燃料电池的电极反应显得十分重要。燃料电池的电极反应需结合电解质的性质进行实际的分析，在不同的电解质条件下，其得出的反应则大不相同，因此从微观角度需要结合电解质的不同进行具体的电极反应分析：燃料电池，燃料作为负极，发生氧化反应；助燃剂作为正极，发生还原反应；“经典”燃料电池――氢氧燃料电池，燃料（H2），助燃剂（O2）。
从微观的角度分析过程：在酸性或中性电解质中，若H元素失去电子，则从0价态变为+1价态，以H+的形式存在，负极附近的pH值下降；在正极的氧元素得到电子，从0价态变为-2价态，由于O2-在溶液中遇到H+则瞬间结合成水分子，因此在正极的反应中O2+4e-+4H+=2H2O。
在碱性电解质中，若H元素失去电子，则从0价态变为+1价态，其瞬间与电解质的OH-结合成水分子，因此负极上电极反应式为：H2-2e-+2OH-=2H2O；在正极的O从0价态变为-2价态，O2-能与水分子结合变成OH-，则有在碱性条件下：
负极：H2-2e-+2OH-=2H2O 负极附近的pH值下降
正极：O2+4e-+2H2O=4OH- 正极附近的pH值上升
总反应：O2+2H2=2H2O 电解质溶液的pH值下降（因为水溶剂的量增加）
综合上述，如何理解当电解质呈不同酸碱性时两电极的反应式有所差异？由于燃料电池需要在电解质中进行，则常见的H，O，C元素通过电极反应后的存在形式有所改变。无论电解质溶液呈酸性、中性，还是碱性，微观角度上第一步的变化均可以看成HH+，OO2-，CC2+或C4+，在不同的电解质条件下，有：
若酸性或中性条件：HH+；OO2-+H+H2O；CC2+或C4++H2OCO2+H+；
若碱性条件下：HH++OH-H2O；OH2O+e-OH-；CCO2+2OH-CO32-+H2O；
若特殊的固体电解质：HH+，OO2-，CC2+或C4+（以H+，O2-，C2+或C4+存在）。
燃料电池在生产、生活中应用越发广泛，因此成为未来科技发展的重点，也是高考考题的热点。从微观上认识电极反应的过程，则可以通过宏观的观察或测定（电极附近的pH值变化）得出微观反应的特点，掌握这个热点知识点，以便在今后的高考备考中快速准确书写电极反应式。
参考文献：
1.吴国庆.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池.无机化学.第四版.高等教育出版社，2002.03.
2.化学选修4.化学反应原理.人民教育出版社，2007.07.
（作者单位：广东省惠州黄冈中学惠州学校）