第四章 实验活动5 制作简单的燃料电池-2021-2022学年新教材高中化学选择性必修1 化学反应原理【导与练】高中同步全程学习word（人教版）山东专用

实验活动5　制作简单的燃料电池 [实验探究] 一、实验目的 1.理解燃料电池的工作原理。 2.设计和制作一个氢氧燃料电池。 二、实验用品 　(1)仪器:U形管、石墨棒(石墨棒使用前应该经过烘干活化处理)、3～6 V的直流电源、鳄鱼夹、导线和开关、电流表(或发光二极管、音乐盒等)。 (2)试剂:1 mol/L Na2SO4溶液、酚酞溶液。 三、实验方案设计 设计同一装置,闭合K1时电解水,电解一段时间后断开K1,闭合K2即为氢氧燃料电池。 四、实验方案实施 1.电解水 实验操作 现象与解释 在U形管中注入 1 mol/L Na2SO4溶液,然后向其中滴入1～2滴酚酞溶液。在U形管的两边分别插入一根石墨棒,并用鳄鱼夹、导线连接电源。闭合K1,接通直流电源开始电解,观察现象 电极表面均有气泡产生,且石墨Ⅰ和石墨Ⅱ两极产生气体体积比约为1∶2,石墨Ⅱ附近溶液变成红色。 阳极(石墨Ⅰ):4OH--4e-O2↑+2H2O; 阴极(石墨Ⅱ):4H++4e-2H2↑; 总反应:2H2O2H2↑+O2↑ 2.制作一个氢氧燃料电池 实验操作 现象与解释 当上述电解过程进行1～2 min后,打开K1,断开直流电源。将两根石墨棒用导线分别与电流表(或发光二极管、音乐盒等)相连,闭合K2,观察现象 闭合K2后,电流表指针发生偏转(发光二极管发光,音乐盒响起),石墨Ⅰ附近溶液变成红色。 负极:2H2-4e-4H+; 正极:O2+2H2O+4e-4OH-; 总反应:2H2+O22H2O 五、问题讨论 1.列表比较氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理。 提示: 氢氧燃料电池 电解水 能量 化学能→电能 电能→化学能 装置 电极 反应 式 负极:2H2-4e-4H+ 正极:O2+4e-+4H+2H2O 总反应式:2H2+O22H2O 阳极:2H2O-4e-O2↑+4H+ 阴极:4H2O+4e-2H2↑+4OH- 总反应式:2H2O2H2↑+O2↑ 电子 流向 负极→正极 负极→阴极, 阳极→正极 离子 流向 阳离子→正极, 阴离子→负极 阳离子→阴极, 阴离子→阳极 反应 类型 自发的氧化还原反应 非自发的氧化还原反应 2.该实验装置中加入1 mol/L Na2SO4溶液的作用是什么?图示装置中石墨Ⅱ能否换成锌片作电极? 提示:Na2SO4溶液能增强溶液的导电性;将石墨Ⅱ换成锌片,电解水时无影响,但作燃料电池时,Zn作负极,O2在正极发生还原反应,此时构成的是Zn—O2燃料电池,并非氢氧燃料电池。 3.若该装置中将Na2SO4溶液换成KOH溶液或H2SO4溶液,氢氧燃料电池电极反应式如何书写? 提示: KOH溶液 H2SO4溶液 负极 2H2-4e-+4OH-4H2O 2H2-4e-4H+ 正极 O2+2H2O+4e-4OH- O2+4H++4e-2H2O [实验专练] (以下选择题有1～2个选项符合题意) 1.(2020·陕西西安期末)如图为以Pt为电极的氢氧燃料电池的工作原理示意图,稀H2SO4为电解质溶液。下列有关说法不正确的是(　C　) A.a极为负极,电子由a极经外电路流向b极 B.a极的电极反应式:H2-2e-2H+ C.电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)增大 D.若将H2改为CH4,消耗等物质的量的CH4时,O2的用量增多 解析:结合图示可知H2在负极a上发生氧化反应生成H+,通入O2的电极为正极,电子由a极流向b极,A项、B项均正确;该电池总反应为2H2+O22H2O,电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)减小,C项不正确;1 mol H2或CH4分别消耗0.5 mol和2 mol O2,若将H2改为等物质的量CH4,消耗O2增多,D项正确。 2.关于电解水的实验说法正确的是(　BC　) A.为了增加水的导电能力,可以加入氯化钠固体 B.电解水阳极生成氧气,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑ C.阴极区溶液的pH不断增大 D.在两极滴加酚酞,与电源正极相连的一极显红色 解析:A项,电解氯化钠溶液会生成氯气;C项,阴极区:2H2O+2e-2OH-+H2↑,pH不断增大;D项,与正极相连的为阳极,生成H+,不显红色。 3.(2020·河北衡水期末)如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700～900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应生成物均为无毒、无害的物质。下列说法正确的是(　C　) A.电池内的O2-由电极甲移向电极乙 B.电池总反应为N2H4+2O22NO+2H2O C.当甲电极上有1 mol N2H4消耗时,标准状况下乙电极上有22