高中化学微专题-专题二 燃料电池（练习）

专题二 燃料电池 (2021·山东高考) 1．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—O2燃料电池的理论放电量最大 D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L (2020·海南高考) 2．某燃料电池主要构成要素如图所示，下列说法正确的是 A．电池可用于乙醛的制备 B．b电极为正极 C．电池工作时，a电极附近pH降低 D．a电极的反应式为O2+4e-+4H+ =2H2O (2019·新课标III卷) 3．利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是 A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能 B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H++2MV+ C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3 D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动 (2020·江苏高考) 4．CO2/ HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。 (1)CO2催化加氢。在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO3溶液(CO2与KOH溶液反应制得)中通入H2生成HCOO-，其离子方程式为 ；其他条件不变，HCO3-转化为HCOO-的转化率随温度的变化如图-1所示。反应温度在40℃~80℃范围内，HCO3-催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是 。 (2) HCOOH燃料电池。研究 HCOOH燃料电池性能的装置如图-2所示，两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。 ①电池负极电极反应式为 ；放电过程中需补充的物质A为 (填化学式)。 ②图-2所示的 HCOOH燃料电池放电的本质是通过 HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为 。 (3) HCOOH催化释氢。在催化剂作用下， HCOOH分解生成CO2和H2可能的反应机理如图-3所示。 ①HCOOD催化释氢反应除生成CO2外，还生成 (填化学式)。 ②研究发现：其他条件不变时，以 HCOOK溶液代替 HCOOH催化释氢的效果更佳，其具体优点是 。 5．镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低等特点。一般研究的镁燃料电池可分为镁空气燃料电池、镁海水燃料电池、镁过氧化氢燃料电池和镁次氯酸盐燃料电池。其中镁次氯酸盐燃料电池的工作原理如图所示，下列有关说法不正确的是 A．镁燃料电池中镁均为负极，发生氧化反应 B．镁次氯酸盐燃料电池的总反应式为： C．镁过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应式为： D．镁次氯酸盐燃料电池放电过程中移向正极 6．镁-次氯酸盐电池的工作原理如图所示，该电池反应为Mg+ClO－+H2O＝Mg(OH)2+Cl－。下列有关说法正确的是 A．电池工作时，正极a附近的pH增大 B．电池工作时，C溶液中的溶质是MgCl2 C．负极反应式：ClO－+2e－+H2O＝Cl－+2OH－ D．b电极发生还原反应，每转移0.2mol电子，理论上生成0.1mol Cl－ 7．目前常见的燃料电池主要有四种，下面是这四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极的反应产物为水的是： A．固体氧化物燃料电池 B．碱性燃料电池 C．质子交换膜燃料电池 D．熔融盐燃料电池 8．人们以甲酸在合适的催化剂中可产生氢气为原理，设计以稀硫酸为电解液的甲酸燃料电池，对新能源的发展有重要意义。下列有关说法错误的是 A．该燃料电池比氢燃料电池储运更方便，也更安全 B．该燃料电池放电过程中，向正极移动 C．该燃料电池工作后，甲酸变为氢气和二氧化碳 D．理论上反应消耗9.2g甲酸，同时消耗氧气2.24L 9．燃料电池是一种高效环境友好的发电装置。下列说法错误的是 A．氢氧燃料电池的电解质用KOH溶液时，其负极电极反应为2H2-4e-+4OH-=4H2O B．碱性甲烷燃料电池的正极反应为O2+2H2O+4e-=4OH- C．氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2=2H2O D．乙醇燃料电池的常用KOH溶液，该电池的负极反应为C2H5OH-12e-+3H2O=CO2↑+12H+ 10．用酸性甲醛燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示，下列说法中正确的是 A．当a、b都是铜作电极时，电解的总反应方程式为2CuSO4＋2H2O2H2SO4＋2Cu＋O2↑ B．燃料电池工作时，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．当燃料电池消耗22.4 L甲醛气体时，电路中理论上转移2 mol e－ D．燃料电池工作时，负极反应为HCHO＋H2O－2e－===HCOOH＋2H＋ 11．如图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是 A．a电极是负极 B．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 C．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 D．b电极的电极反应为：4OH--4e-=2H2O+O2↑ 12．一种新型燃料电池，它是用惰性金属作电极插入KOH溶液中，然后向两极上分别通入甲烷和氧气，发生的电极反应为：X极：CH4 + 10OH--8e-=+ 7 H2O，Y极：2O2 + 4 H2O + 8e-=8OH-；关于此燃料电池的说法不正确的是（ ） A．X极发生氧化反应，Y极发生还原反应 B．工作一段时间后，KOH的物质的量减少 C．该电池工作时通甲烷一极附近溶液的pH升高 D．在标准状况下通入5.6 L O2完全反应，则有1 mol电子发生转移 13．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．电池工作时，CO32-向电极B移动 B．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－=2 CO32- C．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－=2H2O D．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 14．以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃料电池，原理如图所示。下列说法不正确的是 A．b电极为负极，发生氧化反应 B．a电极发生的反应为N2+8H++6e﹣=2NH C．A溶液中所含溶质为NH4Cl D．当反应消耗1molN2时，则消耗的H2为67.2L 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 【分析】碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反应为：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O，据此结合原电池的工作原理分析解答。 【详解】A．放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误； B．根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误； C．理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量（物质的量表达式）分别是：、、，通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确； D．根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误； 故选C。 2．AD 【分析】该燃料电池中，乙烯和水发生氧化反应，所以通入乙烯和水的电极是负极，氧气易得电子发生还原反应，所以通入氧气的电极是正极，由图可知负极上乙烯和水生成乙醛和氢离子，氢离子移向正极，正极上氧气和氢离子反应生成水，x为水，由此分析。 【详解】A．该电池将乙烯和水转化为了乙醛，可用于乙醛的制备，故A符合题意； B．根据分析，a电极为正极，b电极为负极，故B不符合题意； C．电池工作时，氢离子移向正极，a电极的反应式为O2+4e- +4H+ =2H2O，a电极附近pH升高，故C不符合题意； D．根据分析，a电极为正极，正极发生还原反应，a电极的反应式为O2+4e- +4H+ =2H2O，故D符合题意； 答案选AD。 3．B 【分析】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+—e—= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+；右室电极为燃料电池的正极，MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2++e—= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，反应的方程式为N2+6H++6MV+=6MV2++NH3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。 【详解】A项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV+和MV2+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A正确； B项、左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+—e—= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+，故B错误； C项、右室为正极区，MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2++e—= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，故C正确； D项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D正确。 故选B。 【点睛】本题考查原池原理的应用，注意原电池反应的原理和离子流动的方向，明确酶的作用是解题的关键。 4． 温度升高反应速率增大，温度升高催化剂的活性增强 H2SO4 或 HD 提高释放氢气的速率，提高释放出氢气的纯度 【分析】 (1)根据元素守恒和电荷守恒书写离子方程式；从温度对反应速率的影响以及温度对催化剂的影响的角度分析。 (2)该装置为原电池装置，放电时HCOOˉ转化为被氧化，所以左侧为负极，Fe3+转化为Fe2+被还原，所以右侧为正极。 (3)HCOOH生成HCOOˉ和H+分别与催化剂结合，在催化剂表面HCOOˉ分解生成CO2和Hˉ，之后在催化剂表面Hˉ和第一步产生的H+反应生成H2。 【详解】 (1)含有催化剂的KHCO3溶液中通入H2生成HCOOˉ，根据元素守恒和电荷守恒可得离子方程式为：+H2HCOOˉ+H2O；反应温度在40℃~80℃范围内时，随温度升高，活化分子增多，反应速率加快，同时温度升高催化剂的活性增强，所以的催化加氢速率迅速上升； (2)①左侧为负极，碱性环境中HCOOˉ失电子被氧化为，根据电荷守恒和元素守恒可得电极反应式为HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= +H2O；电池放电过程中，钾离子移向正极，即右侧，根据图示可知右侧的阴离子为硫酸根，而随着硫酸钾不断被排除，硫酸根逐渐减少，铁离子和亚铁离子进行循环，所以需要补充硫酸根，为增强氧气的氧化性，溶液最好显酸性，则物质A为H2SO4； ②根据装置图可知电池放电的本质是HCOOH在碱性环境中被氧气氧化为，根据电子守恒和电荷守恒可得离子方程式为2HCOOH+O2+2OHˉ = 2+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2； (3)①根据分析可知HCOOD可以产生HCOOˉ和D+，所以最终产物为CO2和HD(Hˉ与D+结合生成)； ②HCOOK是强电解质，更容易产生HCOOˉ和K+，更快的产生KH，KH可以与水反应生成H2和KOH，生成的KOH可以吸收分解产生的CO2，从而使氢气更纯净，所以具体优点是：提高释放氢气的速率，提高释放出氢气的纯度。 【点睛】 第3小题为本题难点，要注意理解图示的HCOOH催化分解的反应机理，首先HCOOH分解生成H+和HCOOˉ，然后HCOOˉ再分解成CO2和Hˉ，Hˉ和H+反应生成氢气。 5．D 【分析】 由图可知，装置为镁—次氯酸盐燃料电池，属于原电池，上部分为镁，为电池负极，下部分为次氯酸盐，为电池正极，溶液为碱性，据此解答。 【详解】A．镁燃料电池中镁均为负极，Mg失电子发生氧化反应，A正确； B．由图可知，次氯酸根离子得电子生成氯离子和氢氧根离子，Mg失电子生成氢氧化镁，故电池总反应为：Mg＋ClO-＋H2O=Mg(OH)2↓＋Cl-，故B正确； C．镁过氧化氢燃料电池，过氧化氢在正极得电子，电极反应式为：H2O2＋2H＋+2e-=2H2O，故C正确； D．放电时，氢氧根离子向负极移动，故D错误； 故选D。 6．A 【分析】该电池中，镁易失电子作负极，据图可知，负极为b，电极反应式为Mg-2e－+2OH－= Mg(OH)2，次氯酸根离子得电子发生还原反应，正极a的电极反应式为：ClO－+H2O+2e－=Cl－+2OH－，据此分析解答。 【详解】A．电池工作时，正极a的电极反应式为ClO－+H2O+2e－=Cl－+2OH－，生成氢氧根离子，所以正极a附近的pH增大，故A正确； B．根据电池反应式Mg+ClO－+H2O＝Mg(OH)2+Cl－可知，C溶液中的溶质不含镁离子，故B错误； C．该电池中，镁易失电子作负极，电极反应式为Mg-2e－+2OH－= Mg(OH)2，故C错误； D. 由上述分析可知，b电极为负极，Mg失电子发生氧化反应，故D错误，答案选A。 7．C 【详解】A．电解质为能够传导氧离子的固体氧化物，正极氧气得电子生成氧离子，故A不选；B．电解质溶液是氢氧化钾，正极上氧气得电子生成氢氧根离子，故B不选；C．电解质溶液是酸，正极上氧气和氢离子反应生成水，故C选；D．电解质为熔融碳酸盐，正极氧气得电子结合二氧化碳生成碳酸根离子，故D不选；故选C。 点睛：在氢氧燃料电池中，正极是氧气发生还原反应，当电解质溶液是氢氧化钾时，正极上氧气得电子生成氢氧根离子；当电解质溶液是酸时，正极上氧气和氢离子反应生成水；当电解质为能够传导氧离子的固体氧化物时，正极氧气得电子生成氧离子；当电解质为熔融碳酸盐时，正极氧气得电子结合二氧化碳生成碳酸根离子，据此分析解题。 8．D 【详解】A．与传统的氢燃料电池需要使用氢气相比，该燃料电池所需的甲酸更易储存和运输，也更安全，A正确； B．电池放电过程中，阳离子均向正极移动，B正确； C．甲酸燃料电池的原理是使用催化剂从甲酸中产生氢气，同时会有二氧化碳生成，所以该燃料电池工作后，甲酸直接变为氢气和二氧化碳，C正确； D．该燃料电池总反应的化学方程式为，9.2g甲酸的物质的量为，消耗氧气的物质的量为0.1mol，没有说明是否在标准状况下，不能根据标准状况下的气体摩尔体积计算消耗氧气的体积，D错误； 故选D。 9．D 【详解】A．氢氧燃料电池的电解质用KOH溶液时，参与负极反应，电极反应式为：，参与正极反应，电极反应式为：，A正确； B．碱性甲烷燃料电池中甲烷参与负极反应，参与正极反应，电极反应式为：，B正确； C．氢氧燃料电池参与负极反应，电极反应式为：，参与正极反应，电极反应式为：，电池的总反应为：，C正确； D．乙醇燃料电池的电解质为KOH溶液时，参与负极反应，电极反应式为：，D错误； 答案为：D。 10．D 【分析】左边装置是酸性甲醛燃料电池，原电池放电时，燃料失去电子发生氧化反应，所以通入燃料的电极为负极，通入氧气的电极为正极，正极上氧化剂得到电子发生还原反应，由于电解质溶液呈酸性，正极上电极反应为O2＋４H＋＋4e－=２H2O，右边装置有外界电源，所以是电解池，连接负极的ａ电极时阴极，连接正极的ｂ极是阳极，阳极上失去电子发生氧化反应，阴极上得到电子发生还原反应。 【详解】A. 当a、b都是铜作电极时，形成电解精炼装置，阳极铜失去电子，阴极上铜离子得到电子，故错误；B.由于电解质溶液呈酸性，正极反应为O2＋４H＋＋4e－=２H2O ，故错误；C. 当燃料电池消耗22.4 L甲醛气体时，由于没有说明是在标况下，所以无法计算甲醛的物质的量，则无法计算转移电子的物质的量，故错误；D. 燃料电池工作时，甲醛在负极上失去电子生成甲酸，则负极反应为HCHO＋H2O－2e－=HCOOH＋2H＋，故正确。故选Ｄ。 11．D 【详解】A．a电极中通入H2，其失电子发生氧化反应，所以是燃料电池的负极，A正确； B．氢氧燃料电池中原料的利用率高，能量的转化率高，且产物为水，不污染环境，所以是一种具有应用前景的绿色电源，B正确； C．氢氧燃料电池中，两电极的原料可利用管道通入，不需要储存，所以是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置，C正确； D．b电极的电极反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-，D不正确； 故选D。 12．C 【详解】A．根据电极反应式，X极失电子发生氧化反应，Y极得电子发生还原反应，故A正确； B．根据总反应，CH4 +2O2 +2KOH=K2CO3+3H2O，工作一段时间后，KOH的物质的量减少，故B正确； C．该电池工作时通甲烷一极附近溶液的pH 降低，故C错误； D．在标准状况下通入5.6 L O2完全反应，转移电子=1 mol，故D正确； 答案选C。 13．B 【详解】A．电池工作时，CO32-向负极移动，即向电极A移动，选项A错误； B．B为正极，正极为氧气得电子生成CO32-，反应为O2+2CO2+4e-=2CO32-，选项B正确； C．A是负极，负极上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水，电极A反应为：H2+CO+2CO32--4e-=H2O+3CO2，选项C错误； D．反应CH4＋H2O3H2＋CO，C元素化合价由-4价升高到+2价，H元素化合价由+1价降低到0价，每消耗1molCH4转移6mol电子，选项D错误； 答案选B。 【点睛】本题考查了化学电源新型电池，明确原电池中物质得失电子、电子流向、离子流向即可解答，难点是电极反应式书写，要根据电解质确定正负极产物。甲烷和水经催化重整生成CO和H2，反应中C元素化合价由-4价升高到+2价，H元素化合价由+1价降低到0价，原电池工作时，CO和H2为负极反应，被氧化生成二氧化碳和水，正极为氧气得电子生成CO32-。 14．D 【分析】该能固氮的新型燃料电池，以N2充入的一极为正极，得到电子后与H+生成NH，a极是正极；H2充入负极，失去电子生成H+，b极是负极；该电池总反应为N2＋3H2＋2HCl=2NH4Cl。 【详解】A．据分析，b极为负极，发生氧化反应，A正确； B．据分析，环境是酸性环境，a电极发生的反应为N2+8H++6e﹣=2NH，B正确； C．据分析，该电池工作时生成NH4Cl，分离出的A为NH4Cl，则A溶液中所含溶质为NH4Cl，C正确； D．当反应消耗1molN2时，转移6mole-，根据H2~2e-，则消耗的H2为3mol，未指明标准状况，无法计算其体积，D错误； 故选D。 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 $$