新蘇教版高中化學(xué)選擇性必修1學(xué)案：1.2.3 燃料電池

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)計量數(shù)。由碳原子守恒確定COeq\o\al(2－,3)的化學(xué)計量數(shù)為2，由電荷守恒確定OH-的化學(xué)計量數(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.乙醇燃料電池中采用磺酸類質(zhì)子溶劑，在200℃左右時供電，電池總反應(yīng)為：C2H5OH＋3O2=2CO2＋3H2O，電池示意如圖，下列說法中，正確的是()A.電池工作時，質(zhì)子向電池的負(fù)極遷移B.電池工作時，電子由b極沿導(dǎo)線流向a極C.b極上發(fā)生的電極反應(yīng)是：4H＋＋O2＋4e-=2H2OD.a極上發(fā)生的電極反應(yīng)是：C2H5OH＋3H2O＋12e-=2CO2＋12H＋答案C解析該燃料電池放電時，帶正電荷的微粒向正極移動，所以質(zhì)子向正極移動，選項A錯誤；燃料電池中，投放燃料的電極是負(fù)極，投放氧化劑的電極是正極，所以該燃料電池放電時，電子從負(fù)極a沿導(dǎo)線流向正極b，選項B錯誤；燃料電池中，投放氧化劑的電極是正極，則b極上氧氣得電子和氫離子反應(yīng)生成水，所以電極反應(yīng)式為4H＋＋O2＋4e-=2H2O，選項C正確；燃料電池中，投放燃料的電極是負(fù)極，負(fù)極上燃料失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，所以a電極反應(yīng)式為C2H5OH＋3H2O-12e-=2CO2＋12H＋，選項D錯誤。3.一種新型熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率?，F(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項錯誤，C項正確。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。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，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，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，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，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項正確。3.尿素[CO(NH2)2]燃料電池的工作原理如圖所示。下列說法正確的是()A.該裝置是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B.H＋向A極移動C.A極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)D.電路中轉(zhuǎn)移0.1mol電子時，消耗5.6LO2答案C解析該裝置是原電池裝置，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，A錯誤；陽離子H＋向正(B)極移動，B錯誤；A極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，C正確；沒有指明條件，無法計算體積，D錯誤。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項錯誤；a極為C6H10O5→CO2，發(fā)生氧化反應(yīng)，C項正確；Na＋向正極(右室)移動，Cl-向負(fù)極(左室)移動，D項錯誤。5.燃料電池是利用燃料(如H2、CO、CH4、CH3OH、NH3等)與O2反應(yīng)從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置：(1)甲烷燃料電池(NaOH溶液作電解質(zhì)溶液)的負(fù)極反應(yīng)式為_________________________________________________________，正極電極反應(yīng)式為_________________________________________________，放電過程中溶液的pH________(填“增大”“減小”或“不變”)。(2)CO無色無味有毒，世界各國每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一種CO分析儀的工作原理如圖所示，該裝置中電解質(zhì)為氧化釔—氧化鈉(NASICON)，其中O2-可以在固體介質(zhì)NASICON中自由移動。傳感器中通過的電流越大，充入氣體中CO的含量越高，請回答：①a極電極反應(yīng)式為____________________________________________________。②工作時，O2-由電極________(填“a”或“b”，下同)向電極________移動，電子由電極________通過傳感器流向電極________。答案(1)CH4＋10OH--8e-=COeq\o\al(2－,3)＋7H2OO2＋2H2O＋4e-=4OH-減小(2)①CO＋O2--2e-=CO2②baab解析(1)負(fù)極通入甲烷，甲