实验活动5 制作简单的燃料电池（原卷版）高二化学高效培优讲义（人教版2019选择性必修1）

实验活动5制作简单的燃料电池学习目标1.理解燃料电池的工作原理。2.依据燃料电池的原理，建立燃料电池模型，学会设计和制作氢氧燃料电池。3.了解燃料电池的实践意义。重点和难点重点:了解燃料电池在生产、生活中的应用。难点:掌握燃料电池在生产、生活中的应用。【实验目的】1．理解燃料电池的工作原理。2．设计和制作一个氢氧燃料电池。【实验用品】U形管、石墨棒(石墨棒使用前应该经过烘干活化处理)、3～6V的直流电源、鳄鱼夹、导线和开关、电流表(或发光二极管、音乐盒等)。1mol·L－1Na2SO4溶液、酚酞溶液。【实验步骤】1．电解水。在U形管中注入1mol·L－1Na2SO4溶液，然后向其中滴入1～2滴酚酞溶液。在U形管的两边分别插入一根石墨棒，并用鳄鱼夹、导线连接电源。闭合K1，接通直流电源开始电解，现象为：两极石墨棒均产生_____，右侧石墨棒附近溶液_____。2．制作一个氢氧燃料电池。当上述电解过程进行1～2min后，打开K1，断开直流电源。将两根石墨棒用导线分别与电流表(或发光二极管、音乐盒等)相连，闭合K2，现象为：电流表指针发生_____。【问题和讨论】列表比较氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理。氢氧燃料电池电解水能量_____能→_____能_____能→_____能装置电极反应式负极：2H2－4e－4H＋正极：O2＋4e－＋4H＋2H2O总反应式：2H2＋O22H2O阳极：2H2O－4e－O2↑＋4H＋阴极：4H2O＋4e－2H2↑＋4OH－总反应式：2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑电子流向_____极→_____极_____极→_____极，_____极→_____极离子流向阳离子→_____极，阴离子→_____极阳离子→_____极，阴离子→_____极反应类型自发的氧化还原反应非自发的氧化还原反应既学既练1．关于电解水的实验说法正确的是()A．为了增加水的导电能力，可以加入氯化钠固体B．电解水阳极生成氧气，电极反应式为：2H2O－4e－4H＋＋O2↑C．阴极区溶液的pH不断减小D．在两极滴加酚酞，与电源正极相连的一极显红色2．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pH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3．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－4．下图为氢氧燃料电池的结构示意图，电解质溶液为KOH溶液，电极材料为疏松多孔石墨棒。当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可在闭合回路中不断地产生电流。试回答下列问题：（1）燃料电池的优点是____________________________________________________________；电解质溶液中的OH－移向________(填“负”或“正”)极。（2）写出氢氧燃料电池工作时的正极反应式：________________________________________；负极反应式：___________________________________________________________________总反应式：_____________________________________________________________________一、常见的燃料电池名称电解质电极反应和总反应氢氧燃料电池KOH正极：O2＋4e－＋2H2O=4OH－负极：2H2－4e－＋4OH－=4H2O总反应：2H2＋O2=2H2OH2SO4正极：O2＋4e－＋4H＋=2H2O负极：2H2－4e－=4H＋总反应：2H2＋O2=2H2O甲烷燃料电池KOH正极：2O2＋4H2O＋8e－=8OH－负极：CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))＋7H2O总反应：CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O甲醇燃料电池KOH正极：3O2＋6H2O＋12e－=12OH－负极：2CH3OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))＋12H2O总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH=2K2CO3＋6H2O肼燃料电池KOH正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－负极：N2H4＋4OH－－4e－=N2＋4H2O总反应：N2H4＋O2=N2＋2H2O实践应用1.燃料电池能有效提高能源利用率，具有广泛的应用前景。下列物质均可用作燃料电池的燃料，其中最环保的是（）A．甲醇 B．天然气 C．氢气 D．液化石油气2.据报道，我国氢氧燃料电池车在奥运会期间为运动员提供了可靠安全的服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液。下列有关电池的叙述错误的是（）A．正极反应式为：O2＋2H2O＋4e－=4OH－B．用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24LCl2(标准状况)时，有0.1mol电子转移C．该燃料电池的总反应方程式为：2H2＋O2=2H2OD．工作一段时间后，电解液中的KOH的物质的量不变3.燃料电池是燃料(如CO、、等)跟氧气(或空气)发生反应将化学能直接转化为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法正确的是A．负极反应式：B．正极反应式：C．随着放电的进行，溶液的pH不变D．放电时溶液中的阴离子向负极移动4.氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上,其反应原理示意图如下图。下列有关氢氧燃料电池的说法不正确的是()A.该装置将化学能转化为电能B.为了增加灯泡亮度,可以将电极碳棒变得粗糙多孔C.电子迁移方向:电极a→灯泡→电极b→电解质溶液→电极aD.该电池的总反应:2H2+O22H2O5.如图为某种甲醇燃料电池示意图,工作时电子流向如图所示。下列判断正确的是()A.X为氧气B.电极A反应式:CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+C.B电极附近溶液pH增大D.电池工作时,溶液中电子由电极B流向电极A二、燃料电池电极方程式的书写实践应用1.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.放电过程中OH-移向正极B.电池的总反应式为Mg+ClO-+H2OMg(OH)2+Cl-C.镁燃料电池中镁均为负极,发生氧化反应D.镁-过氧化氢燃料电池,酸性电解质中正极反应式为H2O2+2H++2e-2H2O2.一种新燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体;电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体,在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料说法正确的是()A.在熔融电解质中,O2-由负极移向正极B.电池的总反应是:2C4H10+13O2→8CO2+10H2OC.通入空气的一极是正极,电极反应为:O2+4e-+2H2O4OH-D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为:C4H10+26e-+13O2-4CO2+5H2O3.某种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是()A.电极A为正极B.电池工作时,CO3C.电极A上H2参与的电极反应为:H2+2OH--2e-2H2OD.电极B上发生的电极反应为:O2+2CO2+4e-2CO34.某科研小组模拟“人工树叶”电化学装置如图所示,该装置能将H2O和CO2转化为糖类(C6H12O6)和O2,X、Y是特殊催化剂型电极,已知:装置的电流效率等于生成产品所需的电子数与电路中通过总电子数之比。下列说法错误的是()A.该装置中Y电极发生氧化反应B.X电极的电极反应式为6CO2+24H++24e-C6H12O6+6H2OC.理论上,每生成22.4L(标准状况下)O2,必有4molH+由X极区向Y极区迁移D.当电路中通过3mole-时,生成18gC6H12O6,则该装置的电流效率为80%5.某实验小组设计如图实验装置探究电化学原理,装置Ⅰ中Zn电极产生ZnO,下列说法正确的是()A.Cu电极质量增加B.装置Ⅱ将化学能转变为电能C.装置Ⅰ中OH-向多孔电极移动D.多孔电极的电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-基础达标1.下列设备工作时，将化学能转化为电能的是（）A．风力发电机 B．锂离子电池C．燃气灶 D．硅太阳能电池2.电池是人类生产、生活中重要的能量来源，各种电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅3.甲醇燃料电池可使用于笔记本电脑、汽车等。它在一极通入甲醇，另一极通入氧气，电解质是质子交换膜，它能传导氢离子。电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水。下列叙述中，不正确的是A．电池的总反应是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2OB．负极的反应是CH3OH+H2O=CO2+6H++6e-C．正极的反应是O2+2H2O+4e-=4OH-D．电池工作时，H+移向正极4.氢氧燃料电池被人们誉为“绿色电池”，具有广阔的发展前途。如图为电池示意图。已知电池工作时，电流从电极a经由导线流向电极b。则下列说法正确的是（

）A．该燃料电池能将电能转化为化学能B．a极的反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-C．溶液中的OH-从右室向左室移动D．电池中电解液的pH逐渐增大5.一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池的原理如图所示，其中YSZ为6%～10%Y2O3掺杂的ZO2固体电解质，下列有关叙述正确的是A．电子通过外电路从b极流向aB．b极上的电极反应式为C．每转移电子，消耗的D．由正极通过固体电解质YSZ迁移到负极6.如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，适合进行现场酒精检测，下列说法不正确的是A．电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极B．该电池的正极反应式为：O2+4e-+4H+=2H2OC．该电池的负极反应式为：CH3CH2OH+3H2O-12e-=2CO2↑+12H+D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量7.用CH4和O2组合形成的质子(H+)交换膜燃料电池的结构如图所示，下列说法错误的是

A．电流通过外电路从d极流向c极B．电极c的电极反应式为CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+C．b气体为O2D．若电路中转移2mol电子，则该燃料电池理论上消耗的O2在标准状况下的体积为22.4L8.氢燃料电池被誉为氢能源汽车心脏。某种氢燃料电池的内部结构如图，下列说法不正确的是

A．a处通入氢气B．电池每消耗11．2L氢气，电路中通过的电子为C．右侧的电极反应式为：D．右侧电极为电池的负极9.已知某种微生物燃料电池工作原理如图所示。下列有关该电池的说法中，正确的是A．外电路电子从B极移向A极B．溶液中H+由B极区移向A极区C．电池工作一段时间后B极区溶液的pH减小D．A极电极反应式为：CH3COOH-8e-+2H2O=2CO2

+8H+10.某化学兴趣小组的同学用以下装置研究电化学的问题。（1）甲装置是由铜、锌和稀硫酸组成的原电池，其中正极材料是，电池的总反应式用离子方程式表示为。当导线中有1mol电子通过时，理论上两极的变化是（填序号）。A．锌片溶解了32.5g

B．锌片增重32.5gC．铜片上析出lgH2D．铜片上析1molH2（2）若乙装置中X、Y都是惰性电极，a是滴有酚酞试液的饱和NaCl溶液。

乙则：X极上的电极反应式为，在X极附近观察到的现象是；Y极上的电极反应式为，检验该电极反应产物的方法是。（3）若要通过乙装置用电解方法精炼粗铜，电解质溶液a选用CuSO4溶液，则X电极的材料是，X极的电极反应式为。综合应用11.下列关于四种电池的叙述正确的是A．电池Ⅰ中电子的流向：稀硫酸B．电池Ⅱ中石墨棒上发生还原反应，锌筒会变薄C．电池Ⅲ是二次电池，充电时电能转化为化学能D．电池Ⅳ中正极的电极反应式：O2+2H2O+4e-=4OH-12.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，下列说法错误的是A．放电过程中，K+均向正极移动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11.2L13.按下图装置实验，若x轴表示负极流出的电子的物质的量，则y轴应表示()①c(Ag＋)②c(NO3-)③a棒的质量④b棒的质量⑤溶液的质量①③ B．③④ C．①②④ D．②14.下列实验装置，其中按要求设计正确的是ABCD电解饱和食盐水锌铜原电池电镀银电解精炼铜15.下列有关叙述正确的是A．装置甲中阴极上析出红色固体B．装置乙中铜片应与电源负极相连C．装置丙中外电路电流方向：b极→a极D．装置丁中阴极的电极反应式：16.以Fe3O4/Pd为催化材料，利用电化学原理实现用H2消除酸性废水中的目的，其反应过程如图所示[已知Fe3O4中Fe元素化合价为+2、+3价，分别表示为Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)]。下列说法错误的是A．Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的相互转化起传递电子的作用B．处理的电极反应式为2+6e-+4H2O=N2↑+8OH-C．用该法处理后，水体的pH升高D．消耗标准状况下6.72LH2，理论上可处理含4.6mg·L-1的废水2m317.将图Ⅰ所示装置通电10min后，撤掉直流电源，连接成图Ⅱ所示装置，可观察到U形管左侧铁电极表面析出了白色胶状物质，U形管右侧液面上升。下列说法正确的是A．同温同压下，装置Ⅰ中石墨电极上方得到的气体比铁电极上方得到的气体多B．装置Ⅱ中铁电极的电极反应式为Fe－2e－＋2OH－=Fe(OH)2↓C．装置Ⅱ中石墨电极的电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑D．装置Ⅰ通电10min后，铁电极附近溶液的pH降低17.工业废气、汽车尾气排放出的SO2、NOx等，是形成雾霾的重要因素。霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子形成的烟雾。烟气中的SO2可以用NaOH溶液吸收，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如下图所示。(电极材料为石墨)（1）用NaOH溶液吸收SO2发生的主要反应的离子方程式为。（2）图中，交换膜I应为(填“阳离子”或“阴离子”)交换膜。（3）当有1molNa＋通过阳离子交换膜时，a极生成气体L(标准状况)。（4）SO放电的电极反应式为。（5）通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述原因：。18.如图为相互串联的甲、乙两电解池，试回答以下问题：（1）甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A是极，材料是，电极反应式为，电解质溶液为。当一极有纯铜析出时，另一极溶解的铜(填“大于”“小于”或“等于”)。（2）乙池中若滴入少量酚酞试液，电解一段时间后电极附近溶液呈色，电极反应式为。（3）若甲池中电解质溶液为溶液，电解过程中阴极质量增加，则乙池中阳极放出的气体在标准状况下的体积为L，若此时乙池剩余液体为，则电解后溶液的为。拓展培优19.利用热再生氨电池可实现电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的电镀废液，向甲室加入足量氨水后