1.2.3 燃料电池学案2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

新苏教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》PAGEPAGE1第三课时燃料电池【课程标准要求】1.了解燃料电池的基本构造，学会书写常见的电池反应方程式和电极反应式。2.能基于原电池装置的认知模型设计简单的燃料电池。1.燃料电池(1)概念：利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。(2)优点：①能连续不断地提供电能；②能量转换效率远高于普通燃料燃烧。2.氢氧燃料电池(1)基本构造(2)工作原理氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气，分别在两极发生氧化反应和还原反应。其反应表示如下：酸性电解质(H2SO4)碱性电解质(KOH)负极反应H2－2e－=2H＋H2－2e－＋2OH－=2H2O正极反应O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋4e－＋2H2O=4OH－总反应2H2＋O2=2H2O【微自测】判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)燃料电池工作时负极材料一定发生氧化反应()(2)氢氧燃料电池是清洁的化学电源()(3)在书写燃料电池的电极反应式时，无需考虑电解质溶液的酸碱性()(4)氢氧燃料电池中，当转移2mol电子时消耗2mol氢气()答案(1)×(2)√(3)×(4)×燃料电池工作原理探究和电极反应式的书写下面是三种燃料电池装置，结合原电池原理对其反应原理进行探究：(1)写出装置①中，酸性甲醇燃料电池的正、负极反应式和总的化学方程式：提示：负极反应式：CH3OH－6e－＋H2O=CO2＋6H＋正极反应式：O2＋4e－＋4H＋=2H2O总反应式：2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O(2)写出装置②中熔融碳酸盐氢氧燃料电池的正、负极反应式。提示：负极反应式：H2－2e－＋COeq\o\al(2－,3)=CO2＋H2O正极反应式：O2＋4e－＋2CO2=2COeq\o\al(2－,3)(3)写出装置③中碱性甲烷燃料电池的正、负极反应式和总的化学方程式。提示：负极反应式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O正极反应式：2H2O＋O2＋4e－=4OH－总反应式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。(4)燃料电池中正极通常通入什么物质？负极发生氧化反应还是还原反应？提示：燃料电池中正极通常通入的是O2；可燃物一般在负极发生氧化反应。1.燃料电池工作原理(以酸性氢氧燃料电池为例)利用质子交换膜技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在负极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达正极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到正极，这样就产生了电能。2.书写燃料电池电极反应式的三步骤3.有机燃料电池电极反应式的书写[以乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池为例]电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。(1)第一步：确定生成物。乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为COeq\o\al(2－,3)和H2O。(2)第二步：确定价态的变化及转移电子数。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为－2，COeq\o\al(2－,3)中碳元素的化合价为＋4，故1mol乙醇完全反应失去2×[4－(－2)]mol＝12mol电子。(3)第三步：列出表达式。C2H5OH＋eq\x()OH－－12e－→eq\x()COeq\o\al(2－,3)＋eq\x()H2O。(4)第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定COeq\o\al(2－,3)的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH－的化学计量数为16。(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O。1.下列关于氢氧燃料电池说法正确的是()A.正极发生氧化反应，负极发生还原反应B.若电解质溶液为H2SO4溶液，硫酸根离子移向正极C.若电解质溶液为KOH溶液，随着反应的进行，溶液的c(OH－)不变D.氢氧燃料电池是一种绿色电池，未来有很大的发展前景答案D2.已知：质子交换膜只允许质子通过。某质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是()A.通入氧气的电极发生氧化反应B.通入氢气的电极为正极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答案D解析通入氧气的电极是正极，正极上得电子发生还原反应，故A错误；通入氢气的电极是负极，负极上失电子发生氧化反应，故B错误；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。3.一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2混合气体，其总反应为2CO＋O2=2CO2。则下列说法正确的是()A.通CO的一极是电池的正极B.负极发生的电极反应是O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)C.负极发生的电极反应是CO＋COeq\o\al(2－,3)－2e－=2CO2D.正极发生氧化反应答案C解析据题意知通入CO的一极为电源的负极，CO失去电子转变为CO2，负极发生氧化反应，故A、B、D项错误，C项正确。4.以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写。(1)酸性条件总反应式：_____________________________________________________。正极反应式：___________________________________________________。负极反应式：___________________________________________________。(2)固体电解质(高温下能传导O2－)总反应式：_____________________________________________________。正极反应式：___________________________________________________。负极反应式：___________________________________________________。(3)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下总反应式：______________________________________________________。正极反应式：____________________________________________________。负极反应式：____________________________________________________。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.将氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时的化学能直接转化为电能的装置叫燃料电池。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池能量利用率可高达80%(一般柴油发电机只有40%左右)，产物污染也少。下列有关燃料电池的说法错误的是()A.上述燃料电池的负极反应物是氢气、甲烷、乙醇等物质B.氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供宇航员使用C.乙醇燃料电池的电解质常用KOH，该电池的负极反应为C2H5OH－12e－=2CO2↑＋3H2OD.以KOH溶液作为电解质溶液，甲烷燃料电池的正极反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－答案C解析A项，燃料电池中，燃料作负极，负极反应物可以是氢气、甲烷、乙醇等物质，正确；B项，航天飞行器中氢氧燃料电池的产物是水，经过处理之后可供宇航员使用，正确；C项，乙醇燃料电池的电解质为KOH时，生成的二氧化碳会和其反应生成碳酸盐，负极反应：C2H5OH－12e－＋16OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O，错误；D项，燃料电池中正极上氧气得电子，在碱性环境下，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，正确。2.利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成燃料电池，则下列说法正确的是()①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole－②负极上CH4失去电子，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O③负极上O2获得电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－④电池放电过程中，溶液的c(OH－)不断增大A.①② B.①③C.①④ D.③④答案A解析该电池反应的实质是甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，生成的二氧化碳与氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水。甲烷中碳元素为－4价，碳酸根离子中碳元素为＋4价，则每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole－，①正确。燃料甲烷在负极上失去电子，结合氢氧根离子生成碳酸根离子，②正确。氧气在正极上得到电子，结合水生成氢氧根离子，③错误。由电池的总反应式CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O可知，放电过程中消耗了氢氧根离子，因此c(OH－)不断减小，④错误。综上所述，A项正确。3.固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是()A.有O2参加反应的电极a为电池的负极B.电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－=H2OC.电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－D.该电池的总反应式为2H2＋O2=2H2O答案D解析因为电子从电极b流向电极a，所以电极b为负极，H2在该极发生氧化反应；电极a为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池负极的电极反应式为H2－2e－＋O2－=H2O，正极的电极反应式为eq\f(1,2)O2＋2e－=O2－，则电池总反应式为2H2＋O2=2H2O，故选项D正确。4.一种三室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法正确的是()A.b电极为该电池的负极B.b电极附近溶液的c(H＋)增大C.a的电极反应式：C6H10O5－24e－＋7H2O=6CO2↑＋24H＋D.中间室，Na＋移向左室，Cl－移向右室答案C解析b极为NOeq\o\al(－,3)→N2，氮元素化合价降低，发生还原反应，为正极，A项错误；由产物CO2可知，该电池电解质溶液为酸性，b极电极反应式为2NOeq\o\al(－,3)＋12H＋＋10e－=N2↑＋6H2O，c(H＋)减小，B项错误；a极为C6H10O5→CO2，发生氧化反应，C项正确；Na＋向正极(右室)移动，Cl－向负极(左室)移动，D项错误。5.氨气是一种富氢燃料，可以直接用于燃料电池，如图是供氨水式燃料电池工作原理：(1)氨气燃料电池的电解质溶液最好选择________(填“酸性”“碱性”或“中性”)溶液。(2)空气在进入电池装置前需要通过过滤器除去的气体是________。(3)氨气燃料电池的反应是氨气与氧气生成一种常见的无毒气体和水，该电池的总反应式是_________