专题1 第二单元 第3课时 燃料电池-2021-2022学年高二化学【步步高】学习笔记（苏教版2019选择性必修1）粤渝闽苏桂word

第3课时　燃料电池 [核心素养发展目标]　1.证据推理和模型认知：能基于原电池装置的认知模型分析陌生的化学电池，设计简单的燃料电池，实现能量转化。2.科学态度与社会责任：能分析、评价实际生产和生活中的能量转化现象，并能从能源利用率、环境保护等角度综合考虑。 一、氢氧燃料电池 1．燃料电池 (1)定义：利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。 (2)优点：能连续不断地提供电能。 2．氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)工作原理 氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气，分别在两极发生氧化反应和还原反应。其反应表示如下： 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O (1)燃料电池工作时负极材料一定发生氧化反应(　　) (2)氢氧燃料电池是清洁的化学电源(　　) (3)在书写燃料电池的电极反应式时，无需考虑电解质溶液的酸碱性(　　) (4)氢氧燃料电池中，当转移2 mol电子时消耗2 mol氢气(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)× 1．氢氧燃料电池供电时，燃料氢气会燃烧吗？ 提示　不会。氢氧燃料电池是氢气与氧气分别在两个电极上反应，将化学能直接转化为电能，不会燃烧。 2．以氢氧燃料电池为例，说明燃料电池的特点。 提示　①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。 ②电极材料本身不参与氧化还原反应。 ③工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。 ④能量转化率高(>80%)，排放废物少。 1．氢氧燃料电池已用于航天飞机，它以铂作电极，以KOH溶液作电解质溶液，下列叙述不正确的是(　　) A．H2在负极发生氧化反应 B．燃料电池的化学能可以全部转化为电能 C．产物为无污染的水，属于环境友好电池 D．供电时的总反应：2H2＋O2===2H2O 答案　B 解析　由电极反应式可知，通入氢气的一极为电池的负极，发生氧化反应，A项正确；氢氧燃料电池是将化学能转化为电能的装置，还会伴有热能等能量的释放，能量转化率不会达100%，B项错误；氢氧燃料电池产物是水，对环境无污染，且能量转化率高，C项正确；电池总反应与氢气在氧气中燃烧的化学方程式一致，供电时的总反应为2H2＋O2===2H2O，D项正确。 2．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　) A．通入氧气的电极发生氧化反应 B．通入氢气的电极为正极 C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极 D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O 答案　D 解析　通入氧气的电极是正极，正极上得电子发生还原反应，故A错误；通入氢气的电极是负极，负极上失电子发生氧化反应，故B错误；质子移向正极，故C错误；正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故D正确。 二、形形色色的燃料电池 1．能量转换 所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总化学方程式类似燃烧的总化学方程式，条件不同。 理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超高。 2．燃料电池电极反应式的书写方法 负极为燃料失电子，发生氧化反应； 正极为O2得电子，发生还原反应。 如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法： 第一步　确定生成物 CH4 第二步　确定电子转移和变价元素原子守恒 H4－8e－―→O＋H2O； 第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒 CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O； 第四步　依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数 CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。 [练一练] 写出下列燃料电池的电极反应式和总反应式。 (1)酸性条件下的甲烷燃料电池 总反应式：__________________________________________________________________； 正极反应式：________________________________________________________________； 负极反应式：________________________________________________________________。 (2)碱性条件下的甲烷燃料电池 总反应式：________________________________________________