2025版新教材高中化學(xué)第4章化學(xué)反應(yīng)與電能第1節(jié)原電池第2課時化學(xué)電源三燃料電池學(xué)生用書新人教版選擇性必修1

三、燃料電池1．燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能干脆轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源。電極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。2．氫氧燃料電池(1)基本構(gòu)造(2)工作原理酸性電解質(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=2H2O3.燃料電池的優(yōu)點(1)工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供應(yīng)并在電極上進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排出，能連綿起伏地供應(yīng)電能。(2)能量轉(zhuǎn)換率高，有利于節(jié)約能源。(3)排放的廢棄物少，綠色環(huán)保。4．燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法(1)負(fù)極為燃料，失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。如CH4堿性(KOH溶液)燃料電池負(fù)極反應(yīng)式書寫方法：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))；其次步確定電子轉(zhuǎn)移和變價元素原子守恒eq\o(C,\s\up6(－4),\s\do4())H4－8e－→eq\o(C,\s\up6(＋4),\s\do4())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；第四步最終依據(jù)氫原子守恒配平H2O的化學(xué)計量數(shù)CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。(2)正極為氧氣，得電子，發(fā)生還原反應(yīng)。由于電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)式有所不同，酸性電解質(zhì)溶液：O2＋4H＋＋4e－=2H2O；堿性電解質(zhì)溶液：O2＋2H2O＋4e－=4OH－；固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－)：O2＋4e－=2O2－；熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。正|誤|判|斷(1)燃料電池全部能量均轉(zhuǎn)化為電能。(×)(2)燃料電池中通入燃料的一極為正極。(×)(3)氫氧燃料電池(酸性電解質(zhì))中O2通入正極，電極反應(yīng)為O2＋4H＋＋4e－=2H2O。(√)(4)燃料電池電極材料本身不參與化學(xué)反應(yīng)。(√)(5)以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池，放電過程中，H＋從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移。(×)深|度|思|考從理論上講，全部的燃燒反應(yīng)均可設(shè)計成燃料電池，如甲烷、乙醇、肼(N2H4)等。請寫出以下原電池的電極反應(yīng)：(1)甲烷燃料電池①電解質(zhì)溶液：KOH溶液正極：2O2＋4H2O＋8e－=8OH－；負(fù)極：CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O；總反應(yīng)：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。②電解質(zhì)溶液：稀硫酸正極：2O2＋8H＋＋8e－=4H2O；負(fù)極：CH4＋2H2O－8e－=CO2＋8H＋；總反應(yīng)：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。(2)乙醇燃料電池①電解質(zhì)溶液：KOH溶液正極：3O2＋6H2O＋12e－=12OH－；負(fù)極：C2H5OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O；總反應(yīng)式：C2H5OH＋3O2＋4OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋5H2O。②電解質(zhì)溶液：稀硫酸正極：3O2＋12H＋＋12e－=6H2O；負(fù)極：C2H5OH＋3H2O－12e－=2CO2＋12H＋；總反應(yīng)式：C2H5OH＋3O2=2CO2＋3H2O。[特別提示]燃料電池電極反應(yīng)式書寫的留意事項(1)燃料電池的總反應(yīng)相當(dāng)于燃料的燃燒。(2)書寫電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式時，若產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液能反應(yīng)，電解質(zhì)溶液要寫在總反應(yīng)式中。(3)燃料電池正極反應(yīng)的本質(zhì)是O2＋4e－=2O2－，產(chǎn)生的O2－存在形式與電解質(zhì)溶液的酸堿性和電解質(zhì)的狀態(tài)有密切的關(guān)系。應(yīng)|用|體|驗1.第16屆海南國際車展上展出了中國研制的新型燃料電池汽車，該車裝有“綠色心臟”——質(zhì)子交換膜燃料電池。某種質(zhì)子交換膜燃料電池如圖所示。下列說法正確的是(A)A．該電池的a極發(fā)生氧化反應(yīng)B．正極反應(yīng)為O2＋4e－＋2H2O=4OH－C．質(zhì)子(H＋)通過質(zhì)子交換膜移動到a電極D．該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)到100%解析：該電池的a極，氫氣失電子生成氫離子，發(fā)生氧化反應(yīng)，故A正確；電解質(zhì)溶液呈酸性，產(chǎn)生的電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中要能穩(wěn)定存在，正極反應(yīng)為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，故B錯誤；在原電池中陽離子向正極移動，即氫離子通過質(zhì)子交換膜移動到正極b，故C錯誤；電池中存在化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的能量轉(zhuǎn)化，則化學(xué)能不行能100%轉(zhuǎn)化為電能，故D錯誤。2．用于檢測酒駕的酸性燃料電池酒精檢測儀工作原理如圖所示，下列說法錯誤的是(B)A．電極X作負(fù)極B．當(dāng)有0.001molCH3CH2OH反應(yīng)，理論上有0.002mol電子通過外電路C．正極電極反應(yīng)式是O2＋4H＋＋4e－=2H2OD．電池工作時，質(zhì)子通過交換膜從左往右遷移解析：由圖示可知，電極X上乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸，碳元素化合價上升，乙醇失電子，電極X為負(fù)極，電極Y為正極，A正確；每1molCH3CH2OH被氧化為CH3COOH，則有4mol電子轉(zhuǎn)移，故當(dāng)有0.001mol