高中化学微专题-专题二 燃料电池

专题二　燃料电池 一、概念 1.燃料电池：是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。 2.燃料电池的优点：能量转换率高、废弃物少、运行噪音低。 3.电极反应：一般燃料电池发生的电化学反应的最终产物与燃烧产物相同，可根据燃烧反应写出总的电池反应，但不注明反应的条件。负极发生氧化反应，正极发生还原反应，不过要注意一般电解质溶液要参与电极反应。 二、几种常见的“燃料电池”的电极反应式的书写 A、氢氧燃料电池 氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂(Pt)或石墨做电极材料，负极通入H2，正极通入 O2，总反应为：2H2 + O2 = 2H2O。 电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况： 1.电解质是KOH溶液(碱性电解质) 负极发生的反应为：H2 + 2e- = 2H+ ，2H+ + 2OH- = 2H2O，所以： 负极的电极反应式为：H2 – 2e- + 2OH- = 2H2O； 正极是O2得到电子，即：O2 + 4e- = 2O ，O 在碱性条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH-即：2O+ 2H2O = 4OH- ，因此， 正极的电极反应式为：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- 。 2.电解质是H2SO4溶液(酸性电解质) 负极的电极反应式为：H2 +2e- = 2H+ 。 正极是O2得到电子，即：O2 + 4e- = 2O ，O 在酸性条件下不能单独存在，只能结合H+生成H2O即：O+ 2H+ = H2O，因此， 正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O(O2 + 4e- = 2O ，2O+ 4H+ = 2H2O) 。 3.电解质是NaCl溶液(中性电解质) 负极的电极反应式为：H2 +2e- = 2H+ 正极的电极反应式为：O2 + H2O + 4e- = 4OH- 说明：1.碱性溶液反应物、生成物中均无H+ 2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH- 3.中性溶液反应物中无H+ 和OH- 4.水溶液中不能出现O B、甲醇燃料电池 甲醇燃料电池以铂为两极，用碱或酸作为电解质： 1.碱性电解质(KOH溶液为例) 总反应式：2CH4O + 3O2 +4KOH= 2K2CO3 + 6H2O 正极的电极反应式为：3O2 + 12e- + 6H2O=12OH- 负极的电极反应式为：CH4O – 6e- + 8OH- = CO+ 6H2O 2.酸性电解质(H2SO4溶液为例) 总反应： 2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O 正极的电极反应式为：3O2+12e-+12H+ = 6H2O 负极的电极反应式为：2CH4O – 12e-+2H2O = 12H++ 2CO2 说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同 C、甲烷燃料电池 甲烷燃料电池以多孔镍板为两极，电解质溶液为KOH，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，所以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2 = K2CO3 + 3H2O。 负极发生的反应：CH4 – 8e- + 8OH- =CO2 + 6H2O   CO2 + 2OH- = CO + H2O，所以： 负极的电极反应式为：CH4 + 10 OH- + 8e- = CO + 7H2O 正极发生的反应有：O2 + 4e- = 2O 和O+ H2O = 2OH- 所以： 正极的电极反应式为：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- 说明：掌握了甲烷燃料电池的电极反应式，就掌握了其它气态烃燃料电池的电极反应式 D、 铝-空气-海水电池 我国首创以铝–空气–海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。 电源负极材料为：铝；电源正极材料为：石墨、铂网等能导电的惰性材料。 负极的电极反应式为：4Al-12e-=4Al3+； 正极的电极反应式为：3O2+6H2O+12e-=12OH-； 总反应式为：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3 说明：铝板要及时更换，铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积。 1．氢燃料电池汽车由于具备五大优势：零排放、零污染、无噪音、补充燃料快、续航能力强，而备受关注。某氢燃料电池汽车的结构如图所示： 下列说法错误的是 A．电极A、B采用多孔电极材料的优点是能增大反应物接触面积 B．“电池”能将燃料电池产生的多余电能暂时储存起来 C．电极B的电极反应式为O2+4e−=2O2− D．质子通过电解质溶液向电极B迁移 2．目前科学家已开发出一种新型燃料电池——固体氧化物电池，该电池用辛烷(C8H18)作燃料，电池中间部分的固体氧化物陶瓷可传递氧离子，下列说法正确的是 A．电池工作时，氧气发生氧化反应 B．电池负极的电极反应：O2＋2H2O＋4e－=4OH－ C．电池负极的电极反应：C8H18＋25O2－－50e－=8CO2↑＋9H2O D．若消耗的O2为11.2 L(标准状况)，则电池中有1 mol电子发生转移 3．2022北京冬奥会期间，赛区内使用了氢燃料清洁能源车辆，某氢氧燃料电池工作如图所示。下列说法不正确的是 A．电极a为电池的负极 B．电极b表面反应为： C．电池工作过程中向负极迁移 D．氢氧燃料电池将化学能转化为电能的转化率高于火力发电，提高了能源利用率 4．CO可直接作为燃料电池的燃料，某CO燃料电池的结构如图1所示。 (1)电池工作时，电子由电极 (填“A”或“B”，下同)流向电极 。 (2)电极B的电极反应式为 ，该电池中可循环利用的物质为 。 (3)纳米级由于具有优良的催化性能而受到关注，采用CO燃料电池为电源，用离子交换膜控制电解液中的制备纳米，其装置如图2所示。 ①电极A应连接 (填“C”或“D”)，穿过阴离子交换膜的离子为 。 ②当反应生成14.4g时，图2左侧溶液 (填“增加”或“减少”)的质量为 g。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案： 1．C 【详解】A．多孔电极材料表面积大，吸附性强，能增大反应物接触面积，A正确； B．汽车行驶过程中，燃料电池产生的电能转化为动能，当汽车处于怠速等过程中，“电池”能将燃料电池产生的多余电能暂时储存起来，B正确； C．电解质溶液为酸性溶液，电极反应应为4H++O2+4e−=2H2O，C错误； D．电极B通入氧气，发生还原反应，为正极，质子即氢离子为阳离子，向原电池正极移动，D正确； 综上所述答案为C。 2．C 【分析】该燃料电池中，辛烷失电子发生氧化反应，电极反应式为C8H18+25O2--50e-=8CO2+9H2O，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2+4e-=2O2-，再结合物质之间的反应来分析解答。 【详解】A．该电池工作时，正极上氧气得电子发生还原反应，故A错误； B．负极上燃料辛烷失电子发生氧化反应，电极反应式为C8H18+25O2--50e-=8CO2+9H2O，故B错误； C．负极上燃料辛烷失电子发生氧化反应，电极反应式为C8H18+25O2--50e-=8CO2+9H2O，故C正确； D．标况下11.2L氧气的物质的量为0.5mol，根据O2+4e-=2O2-知，当消耗0.5mol氧气转移电子的物质的量为氧气的4倍，所以转移电子的物质的量为2mol，故D错误； 答案选C。 3．C 【分析】由图可知，电极a为负极，电极反应式为H2−2e−＋2OH−=2H2O，电极b为正极，电极反应式为O2＋4e−＋2H2O═4OH−，据此作答。 【详解】A．电极a上氢元素失电子价态升高，故电极a为负极，故A正确； B．电极b为正极，电极反应式为O2＋4e−＋2H2O═4OH−，故B正确； C．原电池工作时，阴离子向负极移动，K+移向正极，故C错误； D．氢氧燃料电池能量转化率高，可提高能源利用率，故D正确； 故答案选C。 4．(1) A B (2) (3) C 减少 3.6 【详解】（1）CO燃料电池工作时，电极A为负极、CO失去电子被氧化，则电子由电极A流出，沿着导线流向电极B、氧气在电极B上得到电子被还原、电极B为正极。 （2）电极B上氧气发生还原反应转变为碳酸根离子，电极反应式为，由图知，负极上生成、正极上消耗，则该电池中可循环利用的物质为。 （3）①需通过电解法制备纳米级，则需要铜失去电子被氧化、Cu作阳极、与电源正极相连，Ti作阴极、与电源负极相连，故电极A应连接C，电解时阴离子穿过阴离子交换膜向阳极移动，故穿过阴离子交换膜的为OH-离子。 ②阴极反应为，阳极反应为2Cu-2e- +2OH-=Cu2O + H2O，当反应生成14.4g即0.1mol时，转移电子的物质的量为0.2mol，则图2左侧逸出0.1molH2、0.2mol OH-迁移出去，故左侧溶液减少的质量为0.1mol×2g/mol+0.2mol ×17g/mol =3.6g。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $$