第四章 实验活动5 制作简单的燃料电池-【高考领航】2023-2024学年高中化学选择性必修1同步核心辅导与测评（人教版）

实验活动5　制作简单的燃料电池 [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。 [实验用品] 一只U形管、两根石墨棒(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)。 1 mol·L－1 Na2SO4溶液、酚酞溶液。 [实验步骤] 1．电解水。 在U形管中注入1 mol·L－1 Na2SO4溶液，然后向其中滴加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，现象：两极石墨棒均产生气泡，右侧石墨棒附近溶液变红。 电解水及形成燃料电池示意图 2．制作一个氢氧燃料电池。 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，现象：电流表指针发生偏转。 [问题和讨论] 1．列表比较氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理。 名称 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－＋2H2O===4OH－ 总反应式：2H2＋O2===2H2O 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电池，并非氢氧燃料电池。 [拓展练习]　 1．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述不正确的是(　　) A．通入氧气的电极发生还原反应 B．通入氢气的电极为负极 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 解析：C　通入氧气的电极是正极，正极上得电子发生还原反应，故A正确；通入氢气的电极是负极，负极上失电子发生氧化反应，故B正确；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。 2．一种应用比较广泛的甲醇燃料电池，电解液是酸性溶液，其工作原理如图所示，下列说法正确的是(　　) A．若有1 mol CO2生成，则有6 mol H＋从甲池通过质子交换膜进入乙池 B．N电极的电极反应式为O2＋4H＋－4e－===2H2O C．甲池溶液pH增大，乙池溶液pH减小 D．M电极为正极，发生还原反应 解析：A　由装置图可知，乙池为电子流入端，则N电极为原电池的正极，发生还原反应，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，消耗H＋，溶液pH增大；甲池为电子流出端，则M电极为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，所以若有1 mol CO2生成，则有6 mol H＋从甲池通过质子交换膜进入乙池，故选A。 3．科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入甲烷，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。下列说法错误的是(　　) A．电池正极发生的反应：O2＋4e－===2O2－ B．电池负极发生的反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O C．固体电解质里O2－的移动方向：由正极移向负极 D．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极) 解析：D　因为放电时，电池正极发生还原反应(元素化合价降低)，负极发生氧化反应(元素化合价升高)，所以正极反应式是O2＋4e－===2O2－，负极反应式是CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O，故A、B项均正确，由该电池的正、负极反应式可以看出，正极反应“源源不断”地产生O2－，负极反应要持续进行，则需要“持续不断”地消耗O2－，故电池内O2－的移动方向是由正极移向负极，故C项正确；电池的负极发生氧化反应，失去电子，故向外电路释放电子的电极是负极，即电子由负极流向正极，D项错误。 [链接高考]　 (2021·山东卷，10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH－O2、N2H4－O2、(CH3)2NNH2－O2清洁燃料电池，下列说法正确的是(　　) A．放电过程中，K＋均向负极移动 B．放电过程中，KOH物质的量均减小 C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2－