第六章　微題型60　燃料電池-有機(jī)物、微生物、熔融鹽

微題型60燃料電池——有機(jī)物、微生物、熔融鹽1．某種熔融碳酸鹽燃料電池以Li2CO3、K2CO3為電解質(zhì)，一極通入甲烷，另一極通入O2和CO2的混合氣體，該電池工作原理如圖。下列說法正確的是()A．電池工作時(shí)，COeq\o\al(2－,3)向通入b的一極遷移B．通入a的一極為原電池的負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)C．正極上的電極反應(yīng)式為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)D．理論上每消耗22.4LCH4時(shí)，外電路流過的電子數(shù)目為8NA答案C解析電池工作時(shí)，電子從負(fù)極流出，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，由圖知a為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，COeq\o\al(2－,3)向通入a的一極遷移，A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；正極上氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)，C項(xiàng)正確；未指明標(biāo)準(zhǔn)狀況，無法計(jì)算甲烷的物質(zhì)的量、外電路流過的電子數(shù)目，D項(xiàng)錯(cuò)誤。2．一種應(yīng)用比較廣泛的乙醇燃料電池，電解液是酸性溶液，其工作原理如圖所示，下列說法正確的是()A．M極為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)B．N極電極反應(yīng)為O2＋4H＋－4e－=2H2OC．甲池溶液pH增大，乙池溶液pH減小D．若有1molCO2生成，則有6molH＋從甲池通過交換膜進(jìn)入乙池答案D解析根據(jù)外電路中電子的轉(zhuǎn)移方向可知，M極失去電子，為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，N極得＋，反應(yīng)生成H＋，則甲池溶液pH減小，氧氣在N極得電子結(jié)合H＋轉(zhuǎn)變?yōu)樗姌O反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，反應(yīng)消耗H＋，則乙池溶液pH增大，B、C錯(cuò)誤；若有1molCO2生成，由電極反應(yīng)式可知，電路中轉(zhuǎn)移6mol電子，電解質(zhì)溶液中陽離子從負(fù)極移向正極，即有6molH＋從甲池透過交換膜進(jìn)入乙池，D正確。3．以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。下列關(guān)于該電池的敘述正確的是()A．該電池能夠在高溫下工作B．通入葡萄糖的一極為原電池負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)C．放電過程中，陽離子從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移D．在電池反應(yīng)中，每消耗1mol氧氣，理論上能生成CO2氣體eq\f(22.4,6)L答案B解析高溫條件下微生物會(huì)失去活性，故該電池不能在高溫下工作，A項(xiàng)錯(cuò)誤；負(fù)極是葡萄糖失電子生成二氧化碳，發(fā)生氧化反應(yīng)，B項(xiàng)正確；原電池內(nèi)部陽離子應(yīng)向正極移動(dòng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；消耗1mol氧氣生成1mol二氧化碳，標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積是22.4L，D項(xiàng)錯(cuò)誤。4．利用假單胞菌分解有機(jī)物的電化學(xué)原理如圖所示。下列說法正確的是()A．該過程將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．電流方向：b電極→用電器→a電極C．負(fù)極的電極反應(yīng)式為X＋2e－=Y＋2H＋D．當(dāng)外電路通過4NA個(gè)電子時(shí)，消耗氧氣的體積為22.4L答案B解析由圖可知，b極氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，作正極，電極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，則a極為負(fù)極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為X－2e－=Y＋2H＋，C錯(cuò)誤；該裝置為原電池，是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，A錯(cuò)誤；該裝置中a電極為負(fù)極，b電極為正極，所以電流流向：b電極→用電器→a電極，B正確；由于題干中未告知O2所處的狀態(tài)，故無法計(jì)算消耗氧氣的體積，D錯(cuò)誤。5．酶生物燃料電池是指直接或間接利用生物酶作為催化劑的一類特殊燃料電池。如圖是固氮酶電池的工作原理圖。下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是()A．介體BV2＋/BV＋在電極與酶之間傳遞電子B．電池工作時(shí)，H＋由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)定向移動(dòng)C．正極區(qū)固氮酶催化發(fā)生的反應(yīng)：N2＋6BV＋＋6H＋=2NH3＋6BV2＋D．固氮酶電池實(shí)現(xiàn)了溫和條件下人工合成氨答案C解析電子介體是一種具有氧化還原功能的小分子物質(zhì)，從原理圖分析二者相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)酶和電極之間電子轉(zhuǎn)移，A項(xiàng)正確；質(zhì)子由左側(cè)負(fù)極區(qū)定向移動(dòng)到右側(cè)正極區(qū)，B項(xiàng)正確；從原理圖分析，右側(cè)正極區(qū)電極反應(yīng)：BV2＋＋e－=BV＋，C項(xiàng)錯(cuò)誤。6．HCOOH燃料電池的裝置如圖所示，M、N表示電極，兩電極區(qū)間用允許K＋、H＋通過的半透膜隔開。下列說法正確的是()A．M電極反應(yīng)式為HCOO－＋2OH－－2e－=HCOeq\o\al(－,3)＋H2OB．在電池工作時(shí)，每生成1molHCOeq\o\al(－,3)，將會(huì)有1molK＋通過半透膜移向右側(cè)C．圖中所示需要補(bǔ)充的A物質(zhì)為KOHD．電子的流動(dòng)方向?yàn)镹→用電器→M答案A解析HCOOH燃料電池是原電池裝置，原電池工作時(shí)，負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，根據(jù)圖示，M電極為負(fù)極，HCOO－被氧化為HCOeq\o\al(－,3)，電極反應(yīng)式為HCOO－＋2OH－－2e－=HCOeq\o\al(－,3)＋H2O，A正確；根據(jù)圖示，加入A發(fā)生的離子反應(yīng)為4Fe2＋＋4H＋＋O2=4Fe3＋＋2H2O，消耗H＋，K2SO4從裝置中流出，故放電過程中加入的物質(zhì)A為H2SO4，C錯(cuò)誤；根據(jù)溶液呈電中性知，在電池工作時(shí)，每生成1molHCOeq\o\al(－,3)，將會(huì)有2molK＋通過半透膜移向右側(cè)，B錯(cuò)誤；原電池中電子從負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，故電子的流動(dòng)方向?yàn)镸→用電器→N，D錯(cuò)誤。7．熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由多孔陶瓷NiO陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)(熔融堿金屬碳酸鹽)隔膜、多孔金屬Ni陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。工作時(shí)，該電池的陰極(正極)反應(yīng)為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)，下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是()A．該電池較高的工作溫度加快了陰、陽極的反應(yīng)速率B．該類電池的H2不能用CO、CH4等替代C．該電池工作時(shí)，要避免H2、O2的接觸D．放電時(shí)，陽極(負(fù)極)反應(yīng)式為2H2＋2COeq\o\al(2－,3)－4e－=2CO2＋2H2O答案B解析升高溫度能加快反應(yīng)速率，該電池較高的工作溫度加快了陰、陽極的反應(yīng)速率，故A正確；還原性物質(zhì)在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，該類電池的H2可以用CO、CH4等替代，故B錯(cuò)誤；H2、O2混合物在一定條件下可能發(fā)生爆炸，該電池工作時(shí)，要避免H2、O2的接觸，故C正確；放電時(shí)，氫氣失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陽極(負(fù)極)反應(yīng)式為2H2＋2COeq\o\al(2－,3)－4e－=2CO2＋2H2O，故D正確。8．某研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用微生物電化學(xué)系統(tǒng)可處理含氮廢水。如圖是一種新型的浸沒式雙極室脫鹽—反硝化電池，中間由質(zhì)子交換膜隔開，陽極室中的NOx通過泵循環(huán)至陰極室。下列說法錯(cuò)誤的是()A．電極電勢(shì)：陰極室高于陽極室B．負(fù)極的電極反應(yīng)式：CH2O－4e－＋H2O=CO2＋4H＋C．當(dāng)處理lmolNOeq\o\al(－,3)時(shí)，有5molH＋經(jīng)過質(zhì)子交換膜，移向陰極室D．該裝置需在適宜的溫度下進(jìn)行，溫度不宜過高答案B解析原電池中電極電勢(shì)：正極高于負(fù)極，則右側(cè)陰極室(正極)高于左側(cè)陽極室(負(fù)極)，A正確；負(fù)極電極反應(yīng)式為(CH2O)n－4ne－＋nH2O=nCO2↑＋4nH＋，B錯(cuò)誤；正極電極反應(yīng)式為2NOeq\o\al(－,3)＋12H＋＋10e－=N2↑＋6H2O，可知當(dāng)處理1molNOeq\o\al(－,3)時(shí)，有5molH＋經(jīng)過質(zhì)子交換膜，移向陰極室，C正確；本電池是利用微生物電化學(xué)系統(tǒng)，溫度過高，微生物會(huì)失去生理活性，因此需要控制溫度，D正確。9．微生物燃料電池是指在微生物作用下將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某微生物燃料電池的工作原理如圖所示(微生物需在適宜的溫度下才具有活性)。下列說法正確的是()A．b為負(fù)極B．每轉(zhuǎn)移1mol電子，消耗2.8L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2C．該電池在極高溫下仍可使用D．HS－在硫氧化菌作用下轉(zhuǎn)化為SOeq\o\al(2－,4)的反應(yīng)為HS－＋4H2O－8e－=SOeq\o\al(2－,4)＋9H＋答案D解析b通入空氣，空氣中的氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，b為正極，故A錯(cuò)誤；氧元素化合價(jià)由0降低為－2，每轉(zhuǎn)移1mol電子，消耗0.25mol氧氣，故B錯(cuò)誤；微生物需在適宜的溫度下才具有活性，該電池在極高溫下不能使用，故C錯(cuò)誤；HS－在硫氧化菌作用下失電子轉(zhuǎn)化為SOeq\o\al(2－,4)，反應(yīng)式為HS－＋4H2O－8e－=SOeq\o\al(2－,4)＋9H＋，故D正確。10．一種新型微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化，其工作原理如圖所示。下列說法正確的是()A．a(chǎn)極為電池的正極B．海水淡化的原理是電池工作時(shí)，Cl－移向右室C．處理NOeq\o\al(－,3)的電極反應(yīng)為2NOeq\o\al(－,3)＋6H2O＋10e－=N2↑＋12OH－D．若用C6H12O6表示有機(jī)廢水中的有機(jī)物，則每消耗1molC6H12O6轉(zhuǎn)移6mol電子答案C解析b極，NOeq\o\al(－,3)轉(zhuǎn)化為N2，N的化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)，所以b極為正極，a極為負(fù)極，A項(xiàng)錯(cuò)誤；電池工作時(shí)，Cl－(陰離子)移向負(fù)極，即左室，Na＋(陽離子)移向正極，即右室，B項(xiàng)錯(cuò)誤；每生成1molN2消耗2molNOeq\o\al(－,3)，轉(zhuǎn)移10mol電子，根據(jù)得失電子守恒、電荷守恒、元素守恒可得處理NOeq\o\al(－,3)的電極反應(yīng)為2NOeq\o\al(－,3)＋6H2O＋10e－=N2↑＋12OH－，C項(xiàng)正確；每消耗1molC6H12O6生成6molCO2，轉(zhuǎn)移24mol電子，D項(xiàng)錯(cuò)誤。11．研究發(fā)現(xiàn)，在酸性乙醇燃料電池中加入硝酸，可使電池持續(xù)大電流放電，其工作原理如圖所示。下列說法正確的是()A．離子交換膜X為質(zhì)子交換膜，質(zhì)子從石墨電極移向Pt電極B．C2H5OH在Pt電極發(fā)生還原反應(yīng)C．正極區(qū)反應(yīng)為4NOeq\o\al(－,3)＋12e－＋16H＋=4NO＋8H2O、4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3D．若Pt電極生成2.24LCO2，電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)為0.6NA答案C解析根據(jù)原電池原理，Pt電極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為C2H5OH－12e－＋3H2O=2CO2↑＋12H＋，負(fù)極區(qū)生成的H＋將遷移到正極區(qū)參與反應(yīng)，所以離子交換膜X為質(zhì)子交換膜，質(zhì)子從Pt電極移向石墨電極，故A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；石墨電極為正極，正極區(qū)反應(yīng)為4NOeq\o\al(－,3)＋12e－＋16H＋=4NO＋8H2O,4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3，故C項(xiàng)正確；沒有告知處于何種狀態(tài)下，無法通過氣體體積來計(jì)算轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。12．某科研小組用堿性甲烷燃料電池制備Coeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(H2PO2))2，其工作原理如圖所示(已知電解裝置的電極材料分別為金屬鈷和不銹鋼)：下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是()A．N電極為不銹鋼B．電極n處電極反應(yīng)式為CH4－8e－＋8OH－=CO2＋6H2OC．電解一段時(shí)間后，N極區(qū)溶液pH增大D．膜a、膜c均為陽離子交換膜答案B解析根據(jù)圖示，M電極所在為陽極室，M電極為陽極，該裝置用于制備Co(H2PO2)2，則M電極為金屬Co，電極反應(yīng)為Co－2e－=Co2＋，N電極為不銹鋼，A正確；n電極為堿性甲烷燃料電池的負(fù)極，n電極通入CH4，電極反應(yīng)式為CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O，B錯(cuò)誤；N電極為陰極，電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，電解一段時(shí)間后，N極區(qū)堿性增強(qiáng)，溶液的pH增大，C正確；陽極室中的Co2＋通過膜a進(jìn)入產(chǎn)品室，膜a為陽離子交換膜，原料室中的H2POeq\o\al(－,2)通過膜b進(jìn)入產(chǎn)品室，膜b為陰離子交換膜，原料室中的Na＋通過膜c進(jìn)入陰極室，膜c為陽離子交換膜，D正確。13．電浮選凝聚法是工業(yè)上采用的一種污水處理方法：保持污水的pH在5.0～6.0之間，通過電解生成Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3有吸附性，可吸附污物而沉積下來，具有凈化水的作用。陰極產(chǎn)生的氣泡把污水中懸浮物帶到水面形成浮渣層，刮去(或撇掉)浮渣層，即起到了浮選凈化的作用。某科研小組用電浮選凝聚法處理污水，設(shè)計(jì)裝置如圖所示：(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)若污水中離子濃度較小，導(dǎo)電能力較差，產(chǎn)生氣泡速率緩慢，無法使懸浮物形成浮渣。此時(shí)，應(yīng)向污水中加入適量的________________(填字母)。a．H2SO4 b．BaSO4c．Na2SO4 d．NaOHe．CH3CH2OH(2)電解池陽極的電極反應(yīng)分別是①_______________________________________________；②____________________________________________________________________________。(3)電極反應(yīng)①和②的生成物反應(yīng)得到Fe(OH)3沉淀的離子方程式是____________________。(4)熔融鹽燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，以CH4為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極。已知負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH4＋4COeq\o\al(2－,3)－8e－=5CO2＋2H2O。①正極的電極反應(yīng)是___________________________________________________________。②為了使該燃料電池長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此電池工作時(shí)必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)。則A物質(zhì)的化學(xué)式是____________________________________________________________________________________________________________________。(5)實(shí)驗(yàn)過程中，若在陰極產(chǎn)生了44.8L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)氣體，則熔融鹽燃料電池消耗CH4(標(biāo)準(zhǔn)狀況)________L。答案(1)c(2)Fe－2e－=Fe2＋4OH－－4e－=O2↑＋2H2O(3)4Fe2＋＋10H2O＋O2=4Fe(OH)3↓＋8H＋(4)①O2＋