專題22實(shí)踐活動(dòng)5制作簡單的燃料電池（教材深度精講）-2023-2024學(xué)年高二化學(xué)知識(shí)整合講練（人教版2019選擇性必修1）

專題22實(shí)踐活動(dòng)5制作簡單的燃料電池（教材深度精講）【核心素養(yǎng)分析】1.化觀念與平衡思想：理解燃料電池的工作原理。2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：依據(jù)燃料電池的原理，建立燃料電池模型，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)和制作氫氧燃料電池。3.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：了解燃料電池的實(shí)踐意義。【知識(shí)導(dǎo)圖】【目標(biāo)導(dǎo)航】1.知道燃料電池的工作原理。2.能說出化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的意義。3.能利用燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)燃料電池?！局仉y點(diǎn)精講】一、知識(shí)必備1.燃料電池（1）定義：燃料電池是一種與其他化學(xué)電源不同的特殊電源,其特殊之處就是燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)部,而是由外部連續(xù)供給到電極上進(jìn)行反應(yīng),生成物不斷地被排出,可連續(xù)不斷地提供電能。燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率很高,可達(dá)80%以上。（2）分類：根據(jù)電解質(zhì)的不同,燃料電池又可進(jìn)一步分為酸性燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池等。①氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分為酸性和堿性兩種。種類酸性堿性負(fù)極反應(yīng)式2H2－4e－=4H＋2H2＋4OH－－4e－=4H2O正極反應(yīng)式O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－電池總反應(yīng)式2H2＋O2=2H2O備注燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強(qiáng)的催化活性，起導(dǎo)電作用②甲烷燃料電池a.酸性介質(zhì)(如H2SO4)或傳導(dǎo)質(zhì)子（H＋）固體介質(zhì)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋8H＋=4H2O。b.堿性介質(zhì)(如KOH)總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4H2O=8OH－。c.熔融鹽介質(zhì)(如K2CO3)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4CO32=5CO2＋2H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4CO2=4CO32。d.用能傳導(dǎo)氧離子(O2)的固體作介質(zhì)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4O2=CO2＋2H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－=4O2。（3）燃料電池的分析方法①解答燃料電池題目的思維模型②解答燃料電池題目的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)a.要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。b.通入負(fù)極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。c.通過介質(zhì)中離子的移動(dòng)方向，可判斷電池的正負(fù)極，同時(shí)考慮該離子參與靠近一極的電極反應(yīng)。3.電解水型的電解質(zhì)的電解電解質(zhì)類型電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式電解質(zhì)溶液濃度溶液pH電解質(zhì)溶液復(fù)原含氧酸，如H2SO4陰極：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－陽極：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋總反應(yīng)式：2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2H2↑＋O2↑增大減小加水可溶性強(qiáng)堿，如NaOH增大活潑金屬含氧酸鹽，如KNO3不變二、實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理1.電解水：陰極：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－；陽極：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋,總反應(yīng)式：2H2Oeq\o(,\s\up7(電解))2H2↑＋O22.氫氧燃料電池：負(fù)極：2H2－4e－=4H＋；正極：O2＋4e－＋4H＋=2H2O，總反應(yīng)式：2H2＋O2=2H2O實(shí)驗(yàn)用品儀器:U形管、石墨棒(石墨棒使用前應(yīng)該經(jīng)過烘干活化處理),3~6V的直流電源、鱷魚夾、導(dǎo)線和開關(guān)、電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)。藥品:1mol/LNa2SO4溶液、酚酞溶液。實(shí)驗(yàn)步驟1.電解水：在U形管中注入1mol·L1Na2SO4溶液,再滴入2滴酚酞溶液。在U形管的兩邊分別插入一根石墨棒,并用鱷魚夾、導(dǎo)線連接直流電源。閉合K1,接通直流電源開始電解，觀察現(xiàn)象。2.制作一個(gè)氫氧燃料電池：當(dāng)電解水進(jìn)行2min后,打開K1,斷開直流電源,將兩根石墨棒用導(dǎo)線分別與電流表連接,閉合K2,觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1.陽極產(chǎn)生氣泡，陰極產(chǎn)生氣泡，電極附近的溶液變紅，陽極液面高。2.電流表指針偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.電解1mol·L1Na2SO4溶液，陽極得到O2，陰極得到H2。2.氫氣與氧氣反應(yīng)由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程可以實(shí)現(xiàn)。三、問題與討論1.用惰性電極電解硫酸鈉溶液時(shí),為何實(shí)質(zhì)上是電解水?參考答案：用惰性電極電解硫酸鈉溶液時(shí),陽離子放電順序?yàn)镠+>Na+,H+在陰極得電子生成氫氣,而陰離子放電順序?yàn)镺H>SO42,OH在陽極上失電子生成O2,故實(shí)際是水的電解。2.用石墨電極電解硫酸鈉溶液時(shí),滴加酚酞有何現(xiàn)象?參考答案：用石墨電極電解硫酸鈉溶液時(shí),陰極是水電離出的H+放電生成氫氣,電極附近剩余OH,陰極溶液呈堿性,使酚酞變紅。3.本實(shí)驗(yàn)開始時(shí)電解水,為什么不直接電解蒸餾水而是電解1mol·L1Na2SO4溶液?參考答案：蒸餾水中離子濃度極小,導(dǎo)電能力很差,電解產(chǎn)生氣體的速率極小;使用1mol·L1Na2SO4溶液,增大溶液中離子的濃度以增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性,并且Na+和SO42均不參與電極反應(yīng),實(shí)質(zhì)還是電解水。4.本實(shí)驗(yàn)可使用哪些溶液代替Na2SO4溶液實(shí)現(xiàn)電解水?參考答案：用惰性電極電解強(qiáng)堿溶液(如NaOH溶液)、無機(jī)含氧酸溶液(如稀硫酸)、活潑金屬的含氧酸鹽溶液(如KNO3溶液)等,其本質(zhì)都是電解水。5.若設(shè)計(jì)甲烷堿性(KOH溶液)燃料電池,正、負(fù)極分別通入什么氣體?寫出電極反應(yīng)式。參考答案：負(fù)極通入甲烷,電極反應(yīng)式:CH4+10OH8e=CQUOTEO32-O32+7H2O;正極通入氧氣,電極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e=4OH。6.列表比較氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理。

氫氧燃料電池電解水能量化學(xué)能→電能能電能能→化學(xué)能裝置

電極反應(yīng)式負(fù)極：2H2－4e－=4H＋正極：O2＋4e－＋4H＋=2H2O總反應(yīng)式：2H2＋O2=2H2O陽極：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－陰極：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋總反應(yīng)式：2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2H2↑＋O2電子流向負(fù)極→正極負(fù)極→陰極，陽極→正極離子流向陽離子→正極，陰離子→負(fù)極陽離子→陰極，陰離子→陽極反應(yīng)類型自發(fā)的氧化還原反應(yīng)非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)【典題精練】考點(diǎn)1、考查電解水的原理及其應(yīng)用例1.近時(shí)，新加坡南洋理工大學(xué)/香港城市大學(xué)劉彬教授探究電解水過程取得進(jìn)展。裝置如圖所示。下列敘述錯(cuò)誤的是A．石墨1都是陽極，石墨2上都發(fā)生還原反應(yīng)B．相同條件下，氣體1、氣體2體積比為2：1C．圖2中石墨1電極反應(yīng)式為4OH4e=2H2O+O2↑D．圖1中轉(zhuǎn)移1mol電子理論上有1molH+向石墨2極遷移【解析】A．根據(jù)圖示中“電池符號(hào)”可知，石墨1為陽極，石墨2為陰極，選項(xiàng)A正確；B．氣體1為O2，氣體2為H2，氧氣、氫氣的物質(zhì)的量之比為1：2，同條件下體積之比為1：2，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；C．圖2為堿性電解質(zhì)溶液，在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為4OH一4e=2H2O+O2↑，選項(xiàng)C正確；D．圖1中石墨2極反應(yīng)式為2H++2e=H2↑，遷移1mol電子時(shí)有1mol氫離子由向。陰極(石墨2極)遷移，選項(xiàng)D正確；答案選B。【答案】B【變式訓(xùn)練1】氫能源具有來源廣、熱值高、無污染等優(yōu)點(diǎn)。一種新型電解水制氫氣技術(shù)采用全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)體系。在電解水時(shí)，電極均采用多孔電極，水蒸氣(混有少量)從電解池的氫電極通入，裝置原理如圖，下列說法不正確的是A．電解時(shí)，氧電極連接體與外接電源的正極相連B．氫電極發(fā)生的反應(yīng)：C．多孔電極的結(jié)構(gòu)有利于氣體的擴(kuò)散和傳輸D．當(dāng)電解時(shí)，則電解質(zhì)中由氫電極向氧電極遷移【解析】A．電解水時(shí)產(chǎn)生氧氣發(fā)生在氧電極(陽極)，陽極與外接電源的正極連接，相反氫電極與電源的負(fù)極連接，A正確；B．固體電解質(zhì)傳導(dǎo)，因此氫電極的電極反應(yīng)式為，B錯(cuò)誤；C．兩側(cè)多孔氫電極和氧電極有利于氣體的擴(kuò)散和傳輸，C正確；D．當(dāng)電解時(shí)，轉(zhuǎn)移，則電解質(zhì)中有由氫電極向氧電極遷移，D正確；故選B。【答案】B考點(diǎn)2、考查燃料電池的制作原理及其應(yīng)用例2.在制作簡單氫氧燃料電池過程中，下列操作步驟或說法不正確的是A．應(yīng)先閉合，一段時(shí)間后，打開，再閉合B．先閉合時(shí)左側(cè)電極反應(yīng)式為C．當(dāng)先閉合，打開時(shí)，U形管右側(cè)溶液會(huì)變紅D．過程中是先將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能【分析】打開K2，閉合K1，連接外接直流電源作電解池，電解硫酸鈉溶液，實(shí)質(zhì)是電解水，左側(cè)石墨為陽極發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，右側(cè)石墨為陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣。打開K1連接K2，作燃料電池。左側(cè)石墨氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，右側(cè)石墨氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)為負(fù)極?！窘馕觥緼．由上述分析知應(yīng)先閉合，電解硫酸鈉溶液生成氫氣和氧氣，一段時(shí)間后，打開，再閉合，作燃料電池，A正確；B．閉合時(shí)左側(cè)石墨電極連接電源的正極作陽極，水中的氫氧根失電子化合價(jià)升高發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣和氫離子，B正確；C．先打開K2閉合時(shí)右側(cè)電極反應(yīng)式為，U形管右側(cè)溶液會(huì)變紅，C錯(cuò)誤；D．由上述分析知應(yīng)先閉合，電解硫酸鈉溶液生成氫氣和氧氣，一段時(shí)間后，打開，再閉合，作燃料電池。過程中是先將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，D正確；故選C。【答案】C【變式訓(xùn)練2】內(nèi)重整碳酸鹽燃料電池(熔融和為電解質(zhì))的原理如圖所示，下列說法不正確的是A．常溫下，1mol甲烷參加反應(yīng)正極需要通入B．以甲烷為燃料氣時(shí)，負(fù)極反應(yīng)式為C．該電池使用過程中需補(bǔ)充D．以此電池為電源精煉銅，當(dāng)有轉(zhuǎn)移時(shí)，陰極增重6.4g【解析】A.常溫下，負(fù)極電極反應(yīng)式：CH4+48