新蘇教版高中化學(xué)選擇性必修1學(xué)案：1.2.3 燃料電池

新蘇教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》PAGEPAGE1第3課時(shí)燃料電池[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.證據(jù)推理和模型認(rèn)知：能基于原電池裝置的認(rèn)知模型分析陌生的化學(xué)電池，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的燃料電池，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。2.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：能分析、評(píng)價(jià)實(shí)際生產(chǎn)和生活中的能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，并能從能源利用率、環(huán)境保護(hù)等角度綜合考慮。一、氫氧燃料電池1．燃料電池(1)定義：利用燃料和氧化劑之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電池。(2)優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)不斷地提供電能。2．氫氧燃料電池(1)基本構(gòu)造(2)工作原理氫氧燃料電池用多孔金屬作電極，不斷充入的氫氣和氧氣，分別在兩極發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。其反應(yīng)表示如下：酸性電解質(zhì)(H2SO4)堿性電解質(zhì)(KOH)負(fù)極反應(yīng)2H2－4e－=4H＋2H2－4e－＋4OH－=4H2O正極反應(yīng)O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋4e－＋2H2O=4OH－總反應(yīng)2H2＋O2=2H2O(1)燃料電池工作時(shí)負(fù)極材料一定發(fā)生氧化反應(yīng)()(2)氫氧燃料電池是清潔的化學(xué)電源()(3)氫氧燃料電池放電時(shí)化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能()(4)在書(shū)寫(xiě)燃料電池的電極反應(yīng)式時(shí)，無(wú)需考慮電解質(zhì)溶液的酸堿性()(5)氫氧燃料電池中，當(dāng)轉(zhuǎn)移2mol電子時(shí)消耗2mol氫氣()答案(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×1．燃料電池和一次電池及二次電池相比較，有哪些優(yōu)點(diǎn)？提示(1)燃料電池的氧化劑和還原劑不是儲(chǔ)藏在電池內(nèi)部，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單；(2)氧化劑和還原劑可連續(xù)地由外部供給，可長(zhǎng)時(shí)間放電；(3)能量轉(zhuǎn)換效率高，廢棄物排放少，運(yùn)行噪音小。2．以氫氧燃料電池為例，燃料電池的電極反應(yīng)有何特點(diǎn)？電解質(zhì)溶液為酸性或堿性，電池反應(yīng)本質(zhì)相同嗎？提示兩個(gè)電極均為惰性電極，本身不參加反應(yīng)，在反應(yīng)中H2失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，作負(fù)極反應(yīng)物，O2獲得電子發(fā)生還原反應(yīng)，作正極反應(yīng)物，生成的水不斷的被排出電池；無(wú)論電解質(zhì)溶液為酸性或堿性，反應(yīng)原理相同，都是2H2＋O2=2H2O。3．假如將地球上化石燃料燃燒產(chǎn)生的能量均能通過(guò)氫氧燃料電池獲得，將大大提高能源利用效率，減少污染，而其中關(guān)鍵的問(wèn)題就是將化石燃料經(jīng)濟(jì)合理地轉(zhuǎn)化為H2，現(xiàn)以煤為原料，寫(xiě)出生產(chǎn)H2的相關(guān)反應(yīng)。提示C(s)＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫))CO(g)＋H2(g)；CO(g)＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高溫))CO2(g)＋H2(g)。1．氫氧燃料電池已用于航天飛機(jī)，它以鉑作電極，以KOH溶液作電解質(zhì)溶液，下列敘述不正確的是()A．H2在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)B．燃料電池的化學(xué)能可以全部轉(zhuǎn)化為電能C．產(chǎn)物為無(wú)污染的水，屬于環(huán)境友好電池D．供電時(shí)的總反應(yīng)：2H2＋O2=2H2O答案B解析由電極反應(yīng)式可知，通入氫氣的一極為電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，A項(xiàng)正確；氫氧燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，還會(huì)伴有熱能等能量的釋放，能量轉(zhuǎn)化率不會(huì)達(dá)100%，B項(xiàng)錯(cuò)誤；氫氧燃料電池產(chǎn)物是水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且能量轉(zhuǎn)化率高，C項(xiàng)正確；電池總反應(yīng)與氫氣在氧氣中燃燒的化學(xué)方程式一致，供電時(shí)的總反應(yīng)為2H2＋O2=2H2O，D項(xiàng)正確。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(dǎo)電離子為質(zhì)子，且在電池內(nèi)部由正極定向移動(dòng)至負(fù)極D．正極的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O答案D解析通入氧氣的電極是正極，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；通入氫氣的電極是負(fù)極，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，故B錯(cuò)誤；質(zhì)子移向正極，故C錯(cuò)誤；正極的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O，故D正確。二、形形色色的燃料電池1．能量轉(zhuǎn)換所有的燃燒均為放熱反應(yīng)，若能量以電的形式向外釋放，則形成燃料電池，所以燃料電池的總化學(xué)方程式類(lèi)似燃燒的總化學(xué)方程式，條件不同。理論上來(lái)說(shuō)，所有的燃燒反應(yīng)均可設(shè)計(jì)成燃料電池，所以燃料電池的燃料除氫氣外，還有烴、肼、甲醇、氨、煤氣等氣體或液體，且能量轉(zhuǎn)化率超高。2．燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法負(fù)極為燃料失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；正極為O2得電子，發(fā)生還原反應(yīng)。如CH4堿性(KOH溶液)燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法：第一步確定生成物CH4eq\o(→,\s\up7(O2))eq\b\lc\[\rc\(\a\vs4\al\co1(H2O,CO2\o(→,\s\up7(KOH))CO\o\al(2－,3)＋H2O))第二步確定電子轉(zhuǎn)移和變價(jià)元素原子守恒eq\o(C,\s\up6(－4,))H4－8e－→eq\o(C,\s\up6(＋4))Oeq\o\al(2－,3)＋H2O；第三步依據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)，用OH－使電荷守恒CH4－8e－＋10OH－→COeq\o\al(2－,3)＋H2O；第四步依據(jù)氫原子守恒配平H2O的化學(xué)計(jì)量數(shù)CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。(1)甲烷燃料電池中，通入氧氣的一極為負(fù)極()(2)燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可以不是氧化還原反應(yīng)()(3)肼(N2H4)、氨不能作為燃料電池的燃料，因?yàn)槠淙紵龝?huì)產(chǎn)生污染性氣體()(4)應(yīng)用燃料電池的發(fā)電站，具有能量轉(zhuǎn)換率高、廢棄物排放少等優(yōu)點(diǎn)()(5)燃料電池的電池反應(yīng)式和燃料燃燒的化學(xué)方程式一定相同()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×如圖為燃料電池裝置圖，結(jié)合原電池原理回答相關(guān)問(wèn)題。(1)如電解質(zhì)為稀硫酸溶液，寫(xiě)出甲烷燃料電池的正、負(fù)極反應(yīng)式和總的電池反應(yīng)式。提示負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋；正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋8H＋=4H2O；總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。(2)如電解質(zhì)為KOH溶液，寫(xiě)出甲烷燃料電池的正、負(fù)極反應(yīng)式和總的電池反應(yīng)式。提示負(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－；總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O。(3)如電解質(zhì)為熔融的K2CO3，正極除O2外，還有輔助氣體CO2參與電極反應(yīng)，寫(xiě)出電池正、負(fù)極電極反應(yīng)式。提示負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4COeq\o\al(2－,3)=5CO2＋2H2O；正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4CO2=4COeq\o\al(2－,3)。(4)如電解質(zhì)為可以傳遞O2－的固體氧化物，寫(xiě)出電池正、負(fù)極電極反應(yīng)式。提示負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4O2－=CO2＋2H2O；正極反應(yīng)式：2O2＋8e－=4O2－。易錯(cuò)提示①電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)本質(zhì)為離子反應(yīng)，只有溶于水的強(qiáng)電解質(zhì)才能寫(xiě)成離子。②書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)，要緊抓電解質(zhì)的性質(zhì)，如酸性溶液中H＋將電極反應(yīng)式的電荷守恒，堿性溶液中應(yīng)為OH－將電荷守恒。③含碳的燃料在負(fù)極失電子，只有電解質(zhì)溶液呈堿性，才會(huì)生成COeq\o\al(2－,3)，其他情況一般都生成CO2。1．一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意圖如下。下列有關(guān)該電池的說(shuō)法正確的是()A．反應(yīng)CH4＋H2Oeq\o(=,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))3H2＋CO，每消耗1molCH4轉(zhuǎn)移12mol電子B．電極A上H2參與的電極反應(yīng)為H2＋2OH－－2e－=2H2OC．電池工作時(shí)，COeq\o\al(2－,3)向電極B移動(dòng)D．電極B上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)答案D解析A項(xiàng)，由化合價(jià)變化可知，每消耗1molCH4轉(zhuǎn)移6mol電子，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，電極A為負(fù)極，電極反應(yīng)式為H2＋CO＋2COeq\o\al(2－,3)－4e－=H2O＋3CO2，錯(cuò)誤；C項(xiàng)，電池工作時(shí)，COeq\o\al(2－,3)向電極A移動(dòng)，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，電極B是正極，電極反應(yīng)式為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)，正確。2．如圖為肼燃料電池示意圖，請(qǐng)寫(xiě)出正、負(fù)極的電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式。答案負(fù)極：N2H4－4e－＋4OH－=4H2O＋N2正極：O2＋4e－＋2H2O=4OH－總反應(yīng)式：N2H4＋O2=N2＋2H2O常見(jiàn)的燃料電池(1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3、煤氣等均可作為燃料電池的燃料。(2)電解質(zhì)可以是酸(如H2SO4)、堿(如KOH)也可以是熔融鹽(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。(3)燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)與電解質(zhì)溶液有密切關(guān)系，酸性溶液中電極反應(yīng)式不能出現(xiàn)OH－，堿性溶液中電極反應(yīng)式不能出現(xiàn)H＋。三、制作簡(jiǎn)單的燃料電池1．設(shè)計(jì)思路將用學(xué)生電源電解稀硫酸得到的氫氣(H2)和氧氣(O2)在兩個(gè)石墨電極上反應(yīng)，使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。2．裝置圖(1)連接時(shí)鐘時(shí)，如何判斷燃料電池的正、負(fù)極？提示接通學(xué)生電源，兩端產(chǎn)生氫氣和氧氣的體積比為2∶1，由于氫氣的體積大，玻璃導(dǎo)管內(nèi)的液柱先溢出，作燃料電池的負(fù)極。(2)什么現(xiàn)象可以證明處于不同電極的氫氣和氧氣發(fā)生了反應(yīng)？提示時(shí)鐘的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。(3)在制備氫氣和氧氣時(shí)，用蒸餾水代替6mol·L－1稀硫酸行嗎？KOH溶液呢？提示不行。蒸餾水導(dǎo)電能力弱，可以加入KOH溶液以增強(qiáng)導(dǎo)電性，故KOH溶液可以代替6mol·L－1稀硫酸。1．下列關(guān)于氫氧燃料電池說(shuō)法正確的是()A．正極發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)B．若電解質(zhì)溶液為H2SO4溶液，硫酸根離子移向正極C．若電解質(zhì)溶液為KOH溶液，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的pH不變D．氫氧燃料電池是一種綠色電池，未來(lái)有很大的發(fā)展前景答案D2．將氫氣、甲烷、乙醇等物質(zhì)在氧氣中燃燒時(shí)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫燃料電池。燃料電池的基本組成為電極、電解質(zhì)、燃料和氧化劑。此種電池能量利用率可高達(dá)80%(一般柴油發(fā)電機(jī)只有40%左右)，產(chǎn)物污染也少。下列有關(guān)燃料電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．上述燃料電池的負(fù)極反應(yīng)物是氫氣、甲烷、乙醇等物質(zhì)B．氫氧燃料電池常用于航天飛行器，原因之一是該電池的產(chǎn)物為水，經(jīng)過(guò)處理之后可供宇航員使用C．乙醇燃料電池的電解質(zhì)常用KOH，該電池的負(fù)極反應(yīng)為C2H5OH－12e－=2CO2↑＋3H2OD．以KOH溶液作為電解質(zhì)溶液，甲烷燃料電池的正極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－=4