高中化學(xué)解題方法大全——燃料電池

1、燃料電池燃料電池兩電極都不參加反應(yīng)， 反應(yīng)的是通到電極上的燃料和氧氣， 電極反應(yīng)式的書寫有難度。難點(diǎn)磁場(chǎng)請(qǐng)?jiān)囎鱿铝蓄}目，然后自我界定學(xué)習(xí)本篇是否需要。熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2 CO3 和 Na2CO3 的熔融鹽混合物作電解質(zhì)， CO 為陽(yáng)極燃?xì)猓諝馀c CO2 的混合氣為陰極助燃?xì)?，制得?650 下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式：2負(fù)極反應(yīng)式： 2CO 2CO324CO 4e正極反應(yīng)式：?？傠姵胤磻?yīng)式：。案例探究例題 某原電池中盛有KOH濃溶液，若分別向 _(填“正”或“負(fù)” ，下同 )極通入可燃性氣體，向 _極通入 O2，則電路中就有電流通過，試完成下

2、列問題：可燃性正極反應(yīng)負(fù)極反應(yīng)電池總反應(yīng)pH 變化氣體(1)2H(2)2H S(3)CO(4)4CH(5)24C H(6)22C H命題意圖：考查學(xué)生書寫燃料電池電極反應(yīng)的能力。知識(shí)依托：原電池原理和氧化還原反應(yīng)原理。錯(cuò)解分析：忽視電解質(zhì)溶液是KOH 溶液，誤以為負(fù)極能放出酸性氣體。解題思路： 燃料電池中， 負(fù)極通入的氣體具有可燃性，在反應(yīng)中失去電子，被氧化到較高價(jià)態(tài)：氫元素將被氧化到最高價(jià)：1 價(jià)，在堿性溶液中產(chǎn)物不是H ，而是 H2O H 與 OH結(jié)合的產(chǎn)物。H S 中硫元素，含碳物質(zhì)中的碳元素將被氧化到4 價(jià)，而 4 價(jià)的硫 (或 4 價(jià)的碳 )又不能222單獨(dú)存在， 在其常見形式 SO

3、2和 SO323(或 CO和 CO )中，因周圍環(huán)境顯堿性生成酸性氧化22)， O2 由誰(shuí)來提供？顯然是 OH ，提供 O2后裸離物是不可能的，產(chǎn)物應(yīng)為 SO3(或 CO3的 H怎么辦？與別的 OH 結(jié)合生成 H2O。若燃料中含有 1 價(jià)的氫元素，則它反應(yīng)前后的價(jià)態(tài)不變 (都是 1 價(jià) )，氫元素反應(yīng)前在含碳燃料中，反應(yīng)后在生成物水中。負(fù)極電極反應(yīng)式可根據(jù)電荷守恒而配平。燃料電池中，正極通入的O得電子被還原，成為2。2OO2 4e=2O2O2 被 H2O 分子俘獲變?yōu)镺H：2H2O O=2OH將正、負(fù)兩極電極反應(yīng)式疊加，可得電池總反應(yīng)。根據(jù)電池總反應(yīng)可判定電解質(zhì)溶液pH 的變化。答案：正極反應(yīng)

4、負(fù)極反應(yīng)電池總反應(yīng)pH 變化(1)H2 2e 2OH=2H2O2H2 O2=2H2O變小H2S 6e 8OH =SO2H2S 3O2 4OH(2)22變小3 5H3 4H2 O=2SO2OCO 2e 4OH =CO2CO O2 4OH =2CO(3)22變小3 2H3 2H2 O2O 10OH2 4e4 8e42OCHCH 2O 2OH =CO(4)變小2H2O=4OH223 7H23 3H2O=COO24 12e 16OH 242 4OHC HC H 3O(5)22變小=2CO3 10H23 4H2OO=2COC2H2 10e 14OH 2C2 H2 5O2 8OH(6)22變小=2CO3

5、8H2O=4CO3 6H2O錦囊妙計(jì)燃料電池的負(fù)極反應(yīng)， 一般較難寫出， 而正極反應(yīng)和電池總反應(yīng)卻較易寫出。 用電池總反應(yīng)減去正極反應(yīng)可得負(fù)極反應(yīng)，這是寫負(fù)極反應(yīng)式的一種巧妙方法。殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練1.( )將例題中的惰性電極改為Al 電極和 Mg 電極，并停止通氣體，則：(1)正極反應(yīng)為：；(2)負(fù)極反應(yīng)為：；(3)電極總反應(yīng)式為： _；電解質(zhì)溶液的pH 變化為： _(填“增大”“不變”或“變小” )。2.( )將例題中的“ KOH(aq)”改為：稀 H2SO4，其他同例題，試回答前 (4)問。3.( )將 Al、 Fe 兩電極分別插入盛有稀HNO3 的電解質(zhì)溶液中組成原電池，試回答1題中三個(gè)問題

6、。4.( )將 Al、Cu 兩電極分別插入盛有 1的 H2 418.4 mol LSO (aq)中組成原電池，試回答 1 中三問。附：參考答案難點(diǎn)磁場(chǎng)提示：原電池中，正極上富余電子，通入正極上的O2 得到電子：2O 4e =2O2O2 半徑很小，在熔鹽中不能單獨(dú)存在，被CO2 分子俘獲：2CO2 O2 =CO3將正、負(fù)兩極上的電極反應(yīng)式疊加，可得總反應(yīng)方程式。2答案： O2 2CO2 4e=2CO32CO O2=2CO殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練1.提示：堿性溶液中，Al 比 Mg 活潑，負(fù)極上Al 失去電子。正極上H O 得電子，逸出H，22生成 OH 。6e答案： (1)6H2 O 6e=6OH3H2(或

7、 6H=3H2 ) 8OH2 4H(2)2Al 6e=2AlO2O(3)2Al 2OH 2H2O=2AlO2 3H2 變小2.提示：負(fù)極上，224失電子，分別生成、 H 和 SO22和 CO2H、H S、 CO、CHH、 CO 、 H，產(chǎn)物中 O 原子由 H222，O2 與 H 結(jié)合生成 H2O。O 提供。正極上， O 得電子變?yōu)镺如果有水生成，溶液的濃度和pH 都會(huì)發(fā)生變化。答案：正極反應(yīng)負(fù)極反應(yīng)電池總反應(yīng)pH 變化(1)2H2 O2=2H2O變大H2 2e =2H+(2)H2S 6e 2H2O=2H2S 3O2=2SO 變大26H+22 SO2H OO 4e H2(3)4H+=2H2OCO

8、2eO=22不變2+2H2CO O =COCO(4)CH4 8e 2H2O=CH4 2O2=CO2 2H2O變大CO 8H+23.提示：活潑金屬Al 失電子變成 Al3，電子由負(fù)極流向正極，正極上NO 3 (而非 H )得電子變成 NO 逸出，同時(shí)有 H參加反應(yīng)，與 NO 3的另外 2 個(gè) 2 價(jià)的 O 原子結(jié)合成 H2O 分子。答案： (1)4H NO 3 3e2=2H O NO(2)Al 3e =Al3變大(3)Al 4H 2NO3 =Al3 2H2O NO4.解析：活潑金屬Al 在濃硫酸中鈍化， Cu 作負(fù)極失去電子成為Cu2，電子流向正極，正極上溶液中的 H2422SO 分子得到電子變

9、為H O 和SO。由于純硫酸的電離度大于純水的電離度。而在水參加的電極反應(yīng)式中，H2 O 分子可拆為 H和 OH ，所以濃硫酸參加的電極反應(yīng)式中，2H2SO4 分子可拆成和 SO4；而依照離子方程式的寫法，可知在電池反應(yīng)中H2SO4 分子不H能拆分為離子。因?yàn)殡姵胤磻?yīng)中，H2SO4 被消耗，且有H2O 生成，所以 H2SO4 逐漸變稀， c(H )逐漸變大， pH逐漸變小，直至濃H2 42424Al 與稀2 4SO 變成稀H SO ， Cu 與稀H SO 不再發(fā)生反應(yīng)。但這時(shí)H SO發(fā)生反應(yīng)，負(fù)極上Al 失電子變?yōu)锳l3 ，正極上 H 得電子變?yōu)?H224。稀 H SO被消耗， c(H )變小

10、， pH 變大。2 2e =H2答案： (1)開始： 4H SO4 2e =2H2O SO2 ，后來： 2H(2)開始： Cu 2e=Cu2 ，后來： Al 3e =Al3 (3)開始： Cu 2H2SO4(濃 )=CuSO4 2H2O SO2，后來： 2Al 3H2SO4(稀 )=Al2 (SO4)3 3H2先變小后變大難點(diǎn) 24電解原理電解池既能與學(xué)科內(nèi)知識(shí)交叉，也可在學(xué)科間形成知識(shí)交叉，因而其題相對(duì)較難。難點(diǎn)磁場(chǎng)請(qǐng)?jiān)囎鱿铝蓄}目，然后自我界定學(xué)習(xí)本篇是否需要。有一電解池，電極為惰性電極，內(nèi)裝Na2SO3(aq)，通以直流電，惰性電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(1)陰極上的反應(yīng)為：(2)陽(yáng)極上的反應(yīng)為

11、：；。案例探究例題 某學(xué)生試圖用電解法根據(jù)電極上析出物質(zhì)的質(zhì)量來驗(yàn)證阿伏加德羅常數(shù)值，其實(shí)驗(yàn)方案的要點(diǎn)為：用直流電電解氯化銅溶液，所用儀器如圖24 1。強(qiáng)度為I A，通電時(shí)間為t s 后，精確測(cè)得某電極上析出的銅的質(zhì)量為m g。圖 24 1試回答：(1)這些儀器的正確連接順序?yàn)?用圖中標(biāo)注儀器接線柱的英文字母表示，下同E 接 _， C 接 _， _接 F。)實(shí)驗(yàn)線路中的電流方向?yàn)開 _ C _(2)寫出 B 電極上發(fā)生反應(yīng)的離子方程式_，相應(yīng)的離子方程式是_，G 試管中淀粉 _ 。KI 溶液變化的現(xiàn)象為(3)為精確測(cè)定電極上析出銅的質(zhì)量，所必需的實(shí)驗(yàn)步驟的先后順序是_。稱量電解前電極質(zhì)量刮下電

12、解后電極上的銅并清洗用蒸餾水清洗電解后電極溫烘干電極后稱量低溫烘干刮下的銅后稱量再次低溫烘干后稱量至恒重低(4)已知電子的電量為1.6 1019 C。試列出阿伏加德羅常數(shù)的計(jì)算表達(dá)式：NA=_。命題意圖：考查學(xué)生對(duì)電解原理的理解及完成電解實(shí)驗(yàn)的能力。知識(shí)依托：電解原理。錯(cuò)解分析：電解CuCl2(aq)發(fā)生如下反應(yīng)：電解Cu2 2ClCu Cl2 Cl2 有毒，須作處理，裝置中G，作用即此，如果不注意觀察，忽略了或猜不透G 的作用，就會(huì)得出錯(cuò)誤的答案。不能排除干擾，也會(huì)得出錯(cuò)誤答案。解題思路：(1)B 電極上應(yīng)產(chǎn)生Cl2：2Cl 2e =Cl2B 極上流出電子，電子進(jìn)入直流電源的正極，即F 極，

13、由此可得儀器連接順序及電流方向。(2)B 中產(chǎn)生 Cl2， Cl2 進(jìn)入 G 中與 KI 反應(yīng)，有I2 生成， I2 使淀粉變藍(lán)色。(3)鍍?cè)?A 電極上的Cu 是沒必要刮下的，也無法刮干凈，還能將A 電極材料刮下，故兩步須排除在外。(4)由電學(xué)知識(shí)，可求電量Q：Q=I At s=It C由此可求出通過的電子個(gè)數(shù)：It CItN(e)=1.610-19C1.61019其物質(zhì)的量為：ItN AItn(e)= 1.610-191.6 1019N A而電子個(gè)數(shù)與Cu 的關(guān)系為：Cu2 2e =Cu根據(jù)生成Cu m g 得：m gIt164 g mol -1= 1.610 19N A 2NA 可求。答

14、案： (1)DABFBADE I2(2)2Cl 2e=Cl2 變藍(lán)色Cl2 2I=2Cl(3)64It(4)NA= m21.610 19mol 1錦囊妙計(jì)1.電解時(shí)，要注意陰離子的放電順序：S2 Br Cl低價(jià)含氧酸根OH高價(jià)含氧酸根 F若用比 Ag 活潑的金屬作電極進(jìn)行電解時(shí)，金屬陰極被保護(hù)，金屬陽(yáng)極被腐蝕，即其放電能力大于 S2 。2.電鍍和電解精煉都屬于電解，可應(yīng)用電解原理解決該類問題。3.電解與電學(xué)相聯(lián)系，電子與電流的關(guān)系為：QCIAt sn(e )=1.6 1019N A1.61019N A殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練1.( )下列關(guān)于銅電極的敘述正確的是()A.銅鋅原電池中銅是正極B.用電解法精煉

15、粗銅時(shí)粗銅作陰極C.在鍍件上電鍍銅時(shí)可用金屬銅作陽(yáng)極D.電解稀 H2SO4 制取 H2、 O2 時(shí)銅作陽(yáng)極2.( )用 Pt 電極電解AgF(aq)，電流強(qiáng)度為a A，通電時(shí)間為極上生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的純凈氣體V L，以 q C 表示一個(gè)電子的電量，t min ，陰極增重m g，陽(yáng)Mr 表示 Ag 的相對(duì)原子質(zhì)量，則阿伏加德羅常數(shù)NA 可表示為 ()1344a ta tM rA.q Vmol 1B. q m mol 160a tM rC.q mD.以上答案都不對(duì)3.( )用圖 242 所示的裝置進(jìn)行電解。通電一會(huì)兒，發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)的淀粉KI 試紙的 C 端變?yōu)樗{(lán)色。則：圖 24 2(1)A 中發(fā)生反應(yīng)的

16、化學(xué)方程式為_ 。(2)在 B 中觀察到的現(xiàn)象是_、 _、_。(3)室溫下，若從電解開始到時(shí)間t s，A、 B 裝置中共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體0.168 L，若電解過程中無其他副反應(yīng)發(fā)生，經(jīng)測(cè)定電解后A 中溶液體積恰為1000 mL，則 A 溶液的 pH 為_。4.( )將羧酸的堿金屬鹽電解可得烴類化合物。例如：2CH3COOK H2O電解CH3 CH3 2CO2 H2 2KOH(陽(yáng) )(陽(yáng) )(陰 )(陰 )據(jù)下列衍變關(guān)系回答問題：電解ClCH2COOK(aq)A(混合物 )B(1)寫出電極反應(yīng)式陽(yáng)極，陰極。(2)寫出下列反應(yīng)方程式A B：，B C：。(3)D 和 B 在不同條件下反應(yīng)會(huì)生成

17、三種不同的、。附：參考答案難點(diǎn)磁場(chǎng)OCODBE濃 H2 SO4E，試寫出它們的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式、2解析：電解池中存在四種離子：H 、 OH 、 Na 和 SO3 ，陰極吸引陽(yáng)離子H 和 Na ， H 得222到電子成為 H2 逸出；陽(yáng)極吸引陰離子， SO3失去電子成為 SO4。OH 和 SO3答案： 2H 2e =H222 SO32e H2O=SO4 2H殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練1. AC2.提示：若認(rèn)為逸出氣體是F ，則會(huì)誤選 A；若粗心未把t min 轉(zhuǎn)化為 60t s 進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)260a tM r誤選 B；若忽視單位則會(huì)誤選C。正確答案應(yīng)是：q mmol 1答案： D3.提示：可以認(rèn)為線路中串聯(lián)了3 個(gè)電解池。當(dāng)選定一個(gè)為研究對(duì)象時(shí)，另外的2 個(gè)可看作是線路或是電阻。先選定濕潤(rùn)的淀粉KI 試紙為研究對(duì)象。由于C 端變?yōu)樗{(lán)色，可知C 端有 I2生成：2I 2e =I2I2 使淀粉變藍(lán)色。該反應(yīng)是在電解池的陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)，由此可以斷定外接電源的E 端為負(fù)極， F 端為正極。(1)(2)選 A(或 B)為研究對(duì)象，可忽略B(或 A)和淀粉 KI 試紙的存在。(3)由題意可得如下關(guān)系式：224H O 2H根據(jù)氣體的體積可求出n(H)、 c(H )及 pH。電解答案： (1)4AgNO34Ag O