新蘇教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》PAGEPAGE1第三課時燃料電池【課程標(biāo)準(zhǔn)要求】1.了解燃料電池的基本構(gòu)造，學(xué)會書寫常見的電池反應(yīng)方程式和電極反應(yīng)式。2.能基于原電池裝置的認(rèn)知模型設(shè)計(jì)簡單的燃料電池。1.燃料電池(1)概念：利用燃料和氧化劑之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電池。(2)優(yōu)點(diǎn)：①能連續(xù)不斷地提供電能；②能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于普通燃料燃燒。2.氫氧燃料電池(1)基本構(gòu)造(2)工作原理氫氧燃料電池用多孔金屬作電極，不斷充入的氫氣和氧氣，分別在兩極發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。其反應(yīng)表示如下：酸性電解質(zhì)(H2SO4)堿性電解質(zhì)(KOH)負(fù)極反應(yīng)H2－2e－=2H＋H2－2e－＋2OH－=2H2O正極反應(yīng)O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋4e－＋2H2O=4OH－總反應(yīng)2H2＋O2=2H2O【微自測】判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”。(1)燃料電池工作時負(fù)極材料一定發(fā)生氧化反應(yīng)()(2)氫氧燃料電池是清潔的化學(xué)電源()(3)在書寫燃料電池的電極反應(yīng)式時，無需考慮電解質(zhì)溶液的酸堿性()(4)氫氧燃料電池中，當(dāng)轉(zhuǎn)移2mol電子時消耗2mol氫氣()答案(1)×(2)√(3)×(4)×燃料電池工作原理探究和電極反應(yīng)式的書寫下面是三種燃料電池裝置，結(jié)合原電池原理對其反應(yīng)原理進(jìn)行探究：(1)寫出裝置①中，酸性甲醇燃料電池的正、負(fù)極反應(yīng)式和總的化學(xué)方程式：提示：負(fù)極反應(yīng)式：CH3OH－6e－＋H2O=CO2＋6H＋正極反應(yīng)式：O2＋4e－＋4H＋=2H2O總反應(yīng)式：2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O(2)寫出裝置②中熔融碳酸鹽氫氧燃料電池的正、負(fù)極反應(yīng)式。提示：負(fù)極反應(yīng)式：H2－2e－＋COeq\o\al(2－,3)=CO2＋H2O正極反應(yīng)式：O2＋4e－＋2CO2=2COeq\o\al(2－,3)(3)寫出裝置③中堿性甲烷燃料電池的正、負(fù)極反應(yīng)式和總的化學(xué)方程式。提示：負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O正極反應(yīng)式：2H2O＋O2＋4e－=4OH－總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。(4)燃料電池中正極通常通入什么物質(zhì)？負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)？提示：燃料電池中正極通常通入的是O2；可燃物一般在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)。1.燃料電池工作原理(以酸性氫氧燃料電池為例)利用質(zhì)子交換膜技術(shù)，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下，在負(fù)極將氫氣催化分解成為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)正極，在氫氣的分解過程中釋放出電子，電子通過負(fù)載被引出到正極，這樣就產(chǎn)生了電能。2.書寫燃料電池電極反應(yīng)式的三步驟3.有機(jī)燃料電池電極反應(yīng)式的書寫[以乙醇堿性(KOH溶液)燃料電池為例]電池的負(fù)極一定是可燃物，有機(jī)燃料中各元素的化合價變化遵循一般化合價規(guī)則，燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電池的正極多為氧氣或空氣得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，特別注意電解質(zhì)溶液酸堿性不同的區(qū)別。(1)第一步：確定生成物。乙醇燃燒生成CO2和H2O，其中CO2與KOH溶液反應(yīng)生成K2CO3和H2O，故生成物為COeq\o\al(2－,3)和H2O。(2)第二步：確定價態(tài)的變化及轉(zhuǎn)移電子數(shù)。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合價為－2，COeq\o\al(2－,3)中碳元素的化合價為＋4，故1mol乙醇完全反應(yīng)失去2×[4－(－2)]mol＝12mol電子。(3)第三步：列出表達(dá)式。C2H5OH＋eq\x()OH－－12e－→eq\x()COeq\o\al(2－,3)＋eq\x()H2O。(4)第四步：確定電極反應(yīng)式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)。由碳原子守恒確定COeq\o\al(2－,3)的化學(xué)計(jì)量數(shù)為2，由電荷守恒確定OH－的化學(xué)計(jì)量數(shù)為16。(注：失去12個電子，相當(dāng)于帶12個單位正電荷)再由氫原子守恒確定H2O的化學(xué)計(jì)量數(shù)為11，故負(fù)極反應(yīng)式為C2H5OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O。1.下列關(guān)于氫氧燃料電池說法正確的是()A.正極發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)B.若電解質(zhì)溶液為H2SO4溶液，硫酸根離子移向正極C.若電解質(zhì)溶液為KOH溶液，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的c(OH－)不變D.氫氧燃料電池是一種綠色電池，未來有很大的發(fā)展前景答案D2.已知：質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子通過。某質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如圖所示，下列敘述正確的是()A.通入氧氣的電極發(fā)生氧化反應(yīng)B.通入氫氣的電極為正極C.導(dǎo)電離子為質(zhì)子，且在電池內(nèi)部由正極定向移動至負(fù)極D.正極的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O答案D解析通入氧氣的電極是正極，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故A錯誤；通入氫氣的電極是負(fù)極，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，故B錯誤；質(zhì)子移向正極，故C錯誤；正極的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，故D正確。3.一種新型熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率。現(xiàn)用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，一極通CO氣體，另一極通O2和CO2混合氣體，其總反應(yīng)為2CO＋O2=2CO2。則下列說法正確的是()A.通CO的一極是電池的正極B.負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)C.負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是CO＋COeq\o\al(2－,3)－2e－=2CO2D.正極發(fā)生氧化反應(yīng)答案C解析據(jù)題意知通入CO的一極為電源的負(fù)極，CO失去電子轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，故A、B、D項(xiàng)錯誤，C項(xiàng)正確。4.以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫。(1)酸性條件總反應(yīng)式：_____________________________________________________。正極反應(yīng)式：___________________________________________________。負(fù)極反應(yīng)式：___________________________________________________。(2)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－)總反應(yīng)式：_____________________________________________________。正極反應(yīng)式：___________________________________________________。負(fù)極反應(yīng)式：___________________________________________________。(3)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下總反應(yīng)式：______________________________________________________。正極反應(yīng)式：____________________________________________________。負(fù)極反應(yīng)式：____________________________________________________。答案(1)CH4＋2O2=CO2＋2H2O2O2＋8H＋＋8e－=4H2OCH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋(2)CH4＋2O2=CO2＋2H2O2O2＋8e－=4O2－CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O(3)CH4＋2O2=CO2＋2H2O2O2＋4CO2＋8e－=4COeq\o\al(2－,3)CH4＋4COeq\o\al(2－,3)－8e－=5CO2＋2H2O1.將氫氣、甲烷、乙醇等物質(zhì)在氧氣中燃燒時的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫燃料電池。燃料電池的基本組成為電極、電解質(zhì)、燃料和氧化劑。此種電池能量利用率可高達(dá)80%(一般柴油發(fā)電機(jī)只有40%左右)，產(chǎn)物污染也少。下列有關(guān)燃料電池的說法錯誤的是()A.上述燃料電池的負(fù)極反應(yīng)物是氫氣、甲烷、乙醇等物質(zhì)B.氫氧燃料電池常用于航天飛行器，原因之一是該電池的產(chǎn)物為水，經(jīng)過處理之后可供宇航員使用C.乙醇燃料電池的電解質(zhì)常用KOH，該電池的負(fù)極反應(yīng)為C2H5OH－12e－=2CO2↑＋3H2OD.以KOH溶液作為電解質(zhì)溶液，甲烷燃料電池的正極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－=4OH－答案C解析A項(xiàng)，燃料電池中，燃料作負(fù)極，負(fù)極反應(yīng)物可以是氫氣、甲烷、乙醇等物質(zhì)，正確；B項(xiàng)，航天飛行器中氫氧燃料電池的產(chǎn)物是水，經(jīng)過處理之后可供宇航員使用，正確；C項(xiàng)，乙醇燃料電池的電解質(zhì)為KOH時，生成的二氧化碳會和其反應(yīng)生成碳酸鹽，負(fù)極反應(yīng)：C2H5OH－12e－＋16OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O，錯誤；D項(xiàng)，燃料電池中正極上氧氣得電子，在堿性環(huán)境下，正極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－，正確。2.利用CH4和O2的反應(yīng)，用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成燃料電池，則下列說法正確的是()①每消耗1molCH4可以向外電路提供8mole－②負(fù)極上CH4失去電子，電極反應(yīng)式為CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O③負(fù)極上O2獲得電子，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－④電池放電過程中，溶液的c(OH－)不斷增大A.①② B.①③C.①④ D.③④答案A解析該電池反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是甲烷與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，生成的二氧化碳與氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水。甲烷中碳元素為－4價，碳酸根離子中碳元素為＋4價，則每消耗1molCH4可以向外電路提供8mole－，①正確。燃料甲烷在負(fù)極上失去電子，結(jié)合氫氧根離子生成碳酸根離子，②正確。氧氣在正極上得到電子，結(jié)合水生成氫氧根離子，③錯誤。由電池的總反應(yīng)式CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O可知，放電過程中消耗了氫氧根離子，因此c(OH－)不斷減小，④錯誤。綜上所述，A項(xiàng)正確。3.固體氧化物燃料電池是以固體氧化鋯—氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2－)在其間通過。該電池的工作原理如圖所示，其中多孔電極a、b均不參與電極反應(yīng)。下列判斷正確的是()A.有O2參加反應(yīng)的電極a為電池的負(fù)極B.電極b的電極反應(yīng)式為H2＋2e－＋O2－=H2OC.電極a的電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－D.該電池的總反應(yīng)式為2H2＋O2=2H2O答案D解析因?yàn)殡娮訌碾姌Ob流向電極a，所以電極b為負(fù)極，H2在該極發(fā)生氧化反應(yīng)；電極a為正極，O2在該極發(fā)生還原反應(yīng)。由此推斷該原電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為H2－2e－＋O2－=H2O，正極的電極反應(yīng)式為eq\f(1,2)O2＋2e－=O2－，則電池總反應(yīng)式為2H2＋O2=2H2O，故選項(xiàng)D正確。4.一種三室微生物燃料電池污水凈化系統(tǒng)原理如圖所示，圖中有機(jī)廢水中有機(jī)物可用C6H10O5表示。下列有關(guān)說法正確的是()A.b電極為該電池的負(fù)極B.b電極附近溶液的c(H＋)增大C.a的電極反應(yīng)式：C6H10O5－24e－＋7H2O=6CO2↑＋24H＋D.中間室，Na＋移向左室，Cl－移向右室答案C解析b極為NOeq\o\al(－,3)→N2，氮元素化合價降低，發(fā)生還原反應(yīng)，為正極，A項(xiàng)錯誤；由產(chǎn)物CO2可知，該電池電解質(zhì)溶液為酸性，b極電極反應(yīng)式為2NOeq\o\al(－,3)＋12H＋＋10e－=N2↑＋6H2O，c(H＋)減小，B項(xiàng)錯誤；a極為C6H10O5→CO2，發(fā)生氧化反應(yīng)，C項(xiàng)正確；Na＋向正極(右室)移動，Cl－向負(fù)極(左室)移動，D項(xiàng)錯誤。5.氨氣是一種富氫燃料，可以直接用于燃料電池，如圖是供氨水式燃料電池工作原理：(1)氨氣燃料電池的電解質(zhì)溶液最好選擇________(填“酸性”“堿性”或“中性”)溶液。(2)空氣在進(jìn)入電池裝置前需要通過過濾器除去的氣體是________。(3)氨氣燃料電池的反應(yīng)是氨氣與氧氣生成一種常見的無毒氣體和水，該電池的總反應(yīng)式是_________