1.2.3 燃料電池學案 高二上學期化學人教版（2019）選擇性必修1

新蘇教版高中化學選擇性必修1《化學反應(yīng)原理》PAGEPAGE1專題1化學反應(yīng)與能量變化第二單元化學能與電能的轉(zhuǎn)化第3課時燃料電池學習目標1．充分利用氫氧燃料電池的案例素材，發(fā)展對原電池工作原理的認識。2．學會制作簡單的燃料電池。核心素養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析：能從宏觀和微觀結(jié)合的視角認識常見化學電源的結(jié)構(gòu)、工作原理及物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化?？茖W態(tài)度與社會責任：具有理論聯(lián)系實際的觀念，有將化學成果應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的意識，能依據(jù)所學原電池知識解釋生產(chǎn)、生活中簡單的化學問題；在實踐中逐步形成保護環(huán)境的觀念?；顒犹骄啃畔?中國氫燃料電池汽車網(wǎng)2021年3月12日消息，東風氫燃料客車上榜第342批公告，搭載中山大洋電機股份有限公司的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，驅(qū)動電機額定功率：90kW，峰值功率：200kW，該車采用電機控制器限速，限速信息2質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的場所，陰極為氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的場所，兩極都含有加速電極電化學反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，即其陽極為電源負極，陰極為電源正極。[思考交流]1．試寫出該氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式。2．燃料電池有哪些優(yōu)點？3．常見的燃料電池還有哪些？知識梳理一、燃料電池的概念燃料電池是利用燃料和氧化劑之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學電池。二、燃料電池的工作原理1．連續(xù)地將燃料(常見的有氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等氣體或液體)和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。2．燃料電池的電極本身不參與氧化還原反應(yīng)，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。3．工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部輸入，在電極上不斷地進行反應(yīng)，生成物不斷地被排出。三、常見的四種典型燃料電池名稱電解質(zhì)電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式氫氧燃料電池KOH正極：O2＋4e－＋2H2O=4OH－負極：2H2－4e－＋4OH－=4H2O電池反應(yīng)：2H2＋O2=2H2OH2SO4正極：O2＋4e－＋4H＋=2H2O負極：2H2－4e－=4H＋電池反應(yīng)：2H2＋O2=2H2O甲烷燃料電池KOH正極：2O2＋4H2O＋8e－=8OH－負極：CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋7H2O電池反應(yīng)：CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O甲醇燃料電池KOH正極：3O2＋6H2O＋12e－=12OH－負極：2CH3OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋12H2O電池反應(yīng)：2CH3OH＋3O2＋4KOH=2K2CO3＋6H2O肼燃料電池KOH正極：O2＋2H2O＋4e－=4OH－負極：N2H4＋4OH－－4e－=N2＋4H2O電池反應(yīng)：N2H4＋O2=N2＋2H2O能力提升“綠水青山就是金山銀山”，利用電池原理治理各種污染是科研工作人員致力研究的重要課題之一。(1)硫化氫是一種具有臭雞蛋氣味的有毒氣體，我國最近在太陽能光電催化—化學耦合分解硫化氫的研究中獲得新進展，相關(guān)裝置如圖所示。=1\*GB3①指出a極和b極的名稱，并寫出電極反應(yīng)式。②結(jié)合離子方程式分析H2S氣體去除的原理。(2)碳排放是影響氣候變化的重要因素之一。最近，科學家開發(fā)出一種新系統(tǒng)，“溶解”水中的二氧化碳，以觸發(fā)電化學反應(yīng)，生成電能和氫氣，其工作原理如圖所示。寫出生成氫氣的電極反應(yīng)式和此電池的電池反應(yīng)方程式。(3)微生物燃料電池在凈化廢水的同時能獲得能源或得到有價值的化學產(chǎn)品，如圖為其工作原理。根據(jù)圖示寫出正極的電極反應(yīng)式。歸納·總結(jié)解答有關(guān)化學電源電極反應(yīng)式書寫試題的思維流程如下：舉一·反三1．如圖是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量監(jiān)測與控制的功能，下列有關(guān)說法正確的是()A．電流由呼氣所在的鉑電極流出B．H＋通過質(zhì)子交換膜流向氧氣所在的鉑電極C．電路中流過2mol電子時，消耗11.2LO2D．該電池的負極反應(yīng)為CH3CH2OH＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋2．某新型可充電電池構(gòu)造如圖所示，工作時(需先引發(fā)鐵和氯酸鉀的反應(yīng)，從而使LiCl-KCl共晶鹽熔化)某電極(記為X)的反應(yīng)式之一為xLi＋＋xe－＋LiV3O8=Li1＋xV3O8。下列說法正確的是()A．放電時，正極上的電極反應(yīng)式為Li－e－=Li＋B．放電時，電池反應(yīng)方程式為xLi＋LiV3O8=Li1＋xV3O8C．充電時，X電極與電源負極相連D．充電時，X電極的質(zhì)量增加當堂檢測1．下面是幾種常見的化學電源的示意圖，有關(guān)說法不正確的是()A．上述電池分別屬于一次電池、二次電池和燃料電池B．干電池在長時間使用后，鋅筒被破壞C．鉛蓄電池工作過程中，每轉(zhuǎn)移2mol電子，負極質(zhì)量減小207gD．氫氧燃料電池是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色電源2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如圖所示，下列敘述正確的是()A．通入氧氣的電極發(fā)生氧化反應(yīng)B．通入氫氣的電極為正極C．導電離子為質(zhì)子，且在電池內(nèi)部由正極定向移動至負極D．正極的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O3．肼(N2H4)-空氣燃料電池是一種環(huán)保型堿性燃料電池，電解質(zhì)為20%～30%的KOH溶液，電池反應(yīng)方程式為N2H4＋O2=N2＋2H2O。下列關(guān)于該電池工作時的說法中正確的是()A．溶液的pH保持不變B．溶液中的陰離子向正極移動C．正極的電極反應(yīng)式：O2＋4H＋＋4e－=2H2OD．負極的電極反應(yīng)式：N2H4＋4OH－－4e－=4H2O＋N2↑4．化學電池在通訊、交通及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。(1)鋅錳干電池是應(yīng)用最普遍的電池之一(如圖1所示)，鋅錳干電池的負極材料是________，負極的電極反應(yīng)式為____________________________。若反應(yīng)消耗32.5g負極材料，則電池中轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目為________。(2)目前常用的鎳(Ni)鎘(Cd)電池其電池總反應(yīng)式可以表示為Cd＋2NiOOH＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2(充電是指外加電流作用發(fā)生氧化還原反應(yīng))，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均難溶于水，但能溶于酸，以下說法中正確的是________(填序號)。①上述反應(yīng)可以在酸性條件下進行 ②上述反應(yīng)不是可逆反應(yīng)③放電時正極金屬Cd的質(zhì)量增加 ④放電時化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?3)如圖2為氫氧燃料電池的構(gòu)造示意圖，電解質(zhì)溶液的溶質(zhì)是KOH。則X極為電池的________(填“正”或“負”)極，X極的電極反應(yīng)式為_____________________________。

參考答案活動探究[思考交流]1．提示：負極：2H2－4e－=4H＋；正極：O2＋4H＋＋4e－=2H2O。2．提示：(1)能量轉(zhuǎn)化率高。(2)排放的廢棄物少，綠色環(huán)保。(3)燃料與氧化劑方便更換，且能連續(xù)不斷地提供電能。3．提示：甲烷、甲醇、肼(N2H4)、氨等都可以作為燃料電池的燃料。能力提升(1)①提示：從圖示可以看出電子從a極流出，故a極為負極，電極反應(yīng)式為Fe2＋－e－=Fe3＋；b極為正極，電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－=H2↑。②提示：除去H2S的過程涉及兩個反應(yīng)步驟，第一步Fe2＋在電極上發(fā)生反應(yīng)：Fe2＋－e－=Fe3＋；第二步，生成的鐵離子氧化硫化氫生成硫單質(zhì)，離子方程式為2Fe3＋＋H2S=2Fe2＋＋S↓＋2H＋。(2)提示：氫氣在b電極產(chǎn)生，其電極反應(yīng)式為2CO2＋2H2O＋2e－=2HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋H2，a電極反應(yīng)式為Na－e－=Na＋，因此電池反應(yīng)方程式為2Na＋2CO2＋2H2O=2NaHCO3＋H2。(3)提示：根據(jù)原電池的工作原理知，電子流入的一極為正極，即N極為正極，根據(jù)圖示可以判斷在正極上得電子的物質(zhì)有O2和Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))，因此電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋14H＋＋6e－=2Cr3＋＋7H2O。舉一·反三1．【答案】B【解析】呼氣所在的電極發(fā)生乙醇轉(zhuǎn)化為醋酸的氧化反應(yīng)，故為負極，而電流由正極流出，A項錯誤；H＋通過質(zhì)子交換膜流向正極(氧氣所在的鉑電極)，B項正確；正極反應(yīng)為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，電路中流過2mol電子時，消耗0.5molO2，在標準狀況下的體積為11.2L，但題中未指明是否為標準狀況，C項錯誤；該電池的負極反應(yīng)為CH3CH2OH＋H2O－4e－=CH3COOH＋4H＋，D項錯誤。2．【答案】B【解析】由題干所給電極反應(yīng)式可知，X電極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，故X電極是正極，結(jié)合題圖知，X電極是LiV3O8，則Li-Si合金是負極，負極的電極反應(yīng)式為Li－e－=Li＋，結(jié)合X電極的電極反應(yīng)式可知放電時電池反應(yīng)方程式為xLi＋LiV3O8=Li1＋xV3O8，A項錯誤，B項正確；充電時，X電極應(yīng)與電源正極相連，C項錯誤；充電時，X電極的電極反應(yīng)與放電時X電極的電極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，則充電時X電極的質(zhì)量減輕，D項錯誤。當堂檢測1．【答案】C【解析】A項，干電池是一次電池，鉛蓄電池是可充電電池屬于二次電池，氫氧燃料電池屬于燃料電池，正確；B項，在干電池中，Zn作負極，被氧化，正確；C項，鉛蓄電池工作過程中，硫酸鉛在負極上析出，該極質(zhì)量增加而非減小，錯誤；D項，氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內(nèi)，且最終產(chǎn)物是水，故氫氧燃料電池是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色電源，正確。2．【答案】D【解析】該燃料電池中，H2和O2分別在負極和正極上發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，正極的電極反應(yīng)式為4H＋＋O2＋4e－=2H2O，該電池中導電離子為H＋，在電池內(nèi)部由負極定向移動至正極。3．【答案】D【解析】A項，因為有水生成，溶液的pH會減小，錯誤；B項，原電池中，溶液中的陰離子總是移向電池的負極，錯誤；C項，溶液介質(zhì)為堿性，正極的電極反應(yīng)式是O2＋2H2O＋4e－=4OH－，錯誤；D項，負極上發(fā)生燃料失電子的氧化反應(yīng)，即N2H4＋4OH－－4e－=4H2O＋N2↑，正確。4．【答案】(1)鋅Zn－2e－=Zn2＋NA或6.02×1023(2)②④(3)負H2－2e－＋2OH－=2H2O【解析】(1)負極發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅失去電子，電極反應(yīng)式為Zn－2e－=Zn2＋，32.5g鋅的物質(zhì)的量為0.5mol，而1mol鋅失去2mol電子，所以32.5g鋅參與反應(yīng)時轉(zhuǎn)移