10燃料電池電極反應(yīng)式書寫解題模型

燃料電池電極反應(yīng)式書寫解題模型燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學反應(yīng)把燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能，能量轉(zhuǎn)化效率高，燃料和空氣分別送進燃料電池，它直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，同時沒有機械傳動部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)，有關(guān)燃料電池電極反應(yīng)式也應(yīng)運而生。第一步：寫出電池總反應(yīng)式。燃料電池的總反應(yīng)與燃料燃燒的反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)，則總反應(yīng)為加合后的反應(yīng)。如甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為NaOH溶液)的反應(yīng)如下：CH4＋2O2=CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②①＋②可得甲烷燃料電池的總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2NaOH=Na2CO3＋3H2O。第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式。根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是O2，因電解質(zhì)溶液不同，故其電極反應(yīng)也會有所不同：(1)酸性電解質(zhì)：O2＋4H＋＋4e－=2H2O。(2)堿性電解質(zhì)：O2＋2H2O＋4e－=4OH－。(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導O2－)：O2＋4e－=2O2－。(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。第三步：得出電池的負極反應(yīng)式。電池的總反應(yīng)式－電池的正極反應(yīng)式＝電池的負極反應(yīng)式。【例1】目前，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾娔苤饕€是來自火力發(fā)電，火力發(fā)電是利用化石燃料燃燒，通過蒸汽機將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，能量利用率低；燃料電池可以將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，能量利用率高。(1)火力發(fā)電廠利用燃煤發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)化形式為化學能→_______→_______→電能。(2)磷酸鹽燃料電池(PAFC)是當前商業(yè)化發(fā)展最快的一種燃料電池，以濃磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴散電極為正、負電極。其優(yōu)點為構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低。磷酸鹽燃料電池正極的電極反應(yīng)式為_______。(3)堿性燃料電池(AFC)是最早進入實用階段的燃料電池之一，也是最早用于車輛的燃料電池，以KOH、NaOH溶液之類的強堿性溶液為電解質(zhì)溶液。其優(yōu)點為性能可靠，具有較高的效率。甲烷堿性燃料電池正極的電極反應(yīng)式為_______。(4)固體氧化物型燃料電池(SOFC)，其效率更高，可用于航空航天。如圖1所示的裝置中，以稀土金屬材料作惰性電極，在電極上分別通入甲烷和空氣，其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3和ZrO2的固體，它在高溫下能傳導O2；A通入的氣體為_______，d電極上的電極反應(yīng)式為_______。(5)熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔陶瓷陽極、金屬極板構(gòu)成的，電解質(zhì)通常為鋰和鉀的混合碳酸鹽，工作溫度為650℃，其工作原理如圖2所示，M為電池的_______(填“正極”或“負極”)，N極的電極反應(yīng)式為_______?！敬鸢浮?1)熱能機械能(2)O2+4H++(3)O2+2H2O+(4)O2CH4+4O2(5)負極O2+2CO2+【解析】(1)火力發(fā)電的原理是發(fā)電時，利用燃料加熱水產(chǎn)生蒸汽，利用蒸汽推動汽輪機，然后由汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為化學能→熱能→機械能→電能；(2)根據(jù)題意，參與磷酸鹽燃料電池正極的為空氣中的氧氣，氧氣在正極得電子被還原，其在酸性環(huán)境下的電極反應(yīng)為O2+4H++；(3)甲烷堿性燃料電池的正極為O2參與，氧氣在正極得電子被還原，其電極反應(yīng)式為O2+2H2O+；(4)原電池中，電子的移動方向為：經(jīng)外電路有負極流向正極，電流流向與電子流向相反，圖中電流由c經(jīng)外電路流向d，故c為正極，d為負極，所以A為氧氣，B為甲烷，電解質(zhì)為固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3和ZrO2的固體，在高溫下能穿到O2，則負極電極反應(yīng)式為CH4+4O2；(5)根據(jù)圖示，N極通入的是氧氣，其化合價只能降低作正極，則M極為負極，電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，則正極的電極反應(yīng)式為O2+2CO2+?！纠?】(2020?江蘇卷節(jié)選)(2)HCOOH燃料電池。研究HCOOH燃料電池性能的裝置如圖2所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。①電池負極電極反應(yīng)式為_____________；放電過程中需補充的物質(zhì)A為_________(填化學式)。②圖2所示的HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過HCOOH與O2的反應(yīng)，將化學能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)的離子方程式為_______________?！敬鸢浮?2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3+H2OH2SO4②2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCO3+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3【解析】(2)①左側(cè)為負極，堿性環(huán)境中HCOOˉ失電子被氧化為HCO3，根據(jù)電荷守恒和元素守恒可得電極反應(yīng)式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3+H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側(cè)，根據(jù)圖示可知右側(cè)的陰離子為硫酸根，而隨著硫酸鉀不斷被排除，硫酸根逐漸減少，鐵離子和亞鐵離子進行循環(huán)，所以需要補充硫酸根，為增強氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質(zhì)A為H2SO4；②根據(jù)裝置圖可知電池放電的本質(zhì)是HCOOH在堿性環(huán)境中被氧氣氧化為HCO3，根據(jù)電子守恒和電荷守恒可得離子方程式為2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCO3+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3。1．(2023·浙江省杭州市高三摸底考試)微生物燃料電池(MFC)耦合人工濕地(CW)系統(tǒng)可用于生產(chǎn)、生活廢水處理并提供電能，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)電微生物由根沉積物和廢水提供，其原理如圖所示：下列有關(guān)敘述正確的是()A．MFCCW系統(tǒng)中電子由A極流向B極B．若A極處溶解O2不足，則電路中無電流通過C．若電路中轉(zhuǎn)移，則A極消耗O21.12LD．B極反應(yīng)式為CH3COO+2H2O8↑【答案】D【解析】A項，在原電池中，電子由負極(B電極)經(jīng)導線流向正極(A電極)，A錯誤；B項，若A極處(即好氧上部)O2不充足，可發(fā)生H+得電子的反應(yīng)，生成H2，也可構(gòu)成原電池，有微弱電流通過，B錯誤；C項，沒有說明是標準狀況，沒辦法計算，C錯誤；D項，根據(jù)分析可知，B電極的電極反應(yīng)式為CH3COO+2H2O8↑，D正確；故選D。2．(2022·吉林一中高三模擬)一種由石墨電極制成的海底燃料電池的裝置如圖所示。下列說法正確的是()A．向b極遷移的是H+B．大塊沉積物中的鐵均顯+2價C．b極上FeS2轉(zhuǎn)化為S的電極反應(yīng)式為FeS22e=Fe2++2SD．微生物作用下S循環(huán)(歧化)生成的n(SO42)和n(HS)之比為1：5【答案】C【解析】該裝置為海底燃料電池，a極發(fā)生還原反應(yīng)，作為正極，b電極為負極。A項，原電池中離子的移動方向為陽離子向正極移動，即向a極遷移的是H+，A錯誤；B項，大塊沉積物中FeOOH中鐵元素的化合價為+3價，B錯誤；C項，b極上FeS2轉(zhuǎn)化為S，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電子守恒和原子守恒后，得電極反應(yīng)式為：FeS22e=Fe2++2S，C正確；D項，S發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1molSO42失電子數(shù)為6mol，生成1molHS得電子數(shù)為2mol，得失電子數(shù)須相同，則(SO42)和n(HS)之比為1：3，D錯誤；故選C。3．(2022·福建省廈門市高三模擬)可同步實現(xiàn)除污脫氮和產(chǎn)電的雙陰極微生物燃料電池的工作原理如圖，下列說法不正確的是()A．工作過程中由厭氧室分別向缺氧室和好氧室遷移B．理論上，厭氧室消耗1molC6H12O6，外電路轉(zhuǎn)移24moleC．缺氧室中電極發(fā)生的反應(yīng)為2NO3+12H++10e=N2↑+6H2OD．好氧室在電極上得電子的微粒有O2和NH4+【答案】D【解析】根據(jù)左側(cè)缺氧室NO3→N2可得N元素化合價降低，則為正極，左側(cè)缺氧陰極發(fā)生的電極反應(yīng)為2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，右側(cè)好氧陰極為正極，發(fā)生的反應(yīng)為O2+4e+4H+=2H2O，電極附近還發(fā)生NH4++3H2O8e=NO+10H+，中間厭氧陽極為負極，厭氧陽極上有機污染物發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)生成CO2和H+。A項，該裝置為原電池，陽離子移向正極，左側(cè)缺氧室和右側(cè)好氧室均為正極，則H+由厭氧室分別向缺氧室和好氧室遷移，故A正確；B項，厭氧陽極上葡萄糖發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)生成CO2和H+，電極反應(yīng)式為C6H12O6+6H2O24e═6CO2+24H+，消耗1molC6H12O6，外電路轉(zhuǎn)移24mole，故B正確；C項，左側(cè)缺氧室NO3→N2中N元素化合價降低，得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，故C正確；D項，“由圖可知，厭氧陽極上提供的電子分別轉(zhuǎn)移到“好氧陰極”和“缺氧陰極”上，并且“好氧陰極”發(fā)生反應(yīng)為O2+4e+4H+=2H2O，電極附近還發(fā)生NH4++3H2O8e=NO+10H+，其中NH4+失電子，故D錯誤；故選D。4．(2022·山東省棗莊市一模)采用情性電極，設(shè)計雙陰極微生物燃料電池進行同步硝化和反硝化脫氮的裝置如圖所示，其中硝化過程中NH4+被O2氧化。下列說法正確的是()A．電極M和P均為燃料電池正極B．P存在電極反應(yīng)：NH4+6e+2H2O=NO2+8H+C．若乙室消耗1mol葡萄糖，則最多有24molH+進入甲室D．若丙室消耗標準狀況下44.8LO2，則至少有1molNH4+完全轉(zhuǎn)化為NO3【答案】A【解析】根據(jù)原電池圖可知，甲室缺氧電極M上由NO3到NO2，再轉(zhuǎn)化為N2，則電極M上發(fā)生還原反應(yīng)，為正極，丙室好氧電極P上O2轉(zhuǎn)化為H2O，發(fā)生還原反應(yīng)，也為正極，中間乙室厭氧電極N上發(fā)生由葡萄糖轉(zhuǎn)化為CO2，發(fā)生氧化反應(yīng)，故為負極，乙室厭氧陽極N上葡萄糖發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)生成CO2和H+，電極反應(yīng)式為C6H12O6+6H2O24e═6CO2+24H+，甲室缺氧電極M發(fā)生的反應(yīng)為2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，丙室好氧電極P發(fā)生的反應(yīng)為O2+4e+4H+=2H2O，同時O2還可能氧化NH4+生成NO2，NO2甚至還可以進一步被O2氧化為NO3，反應(yīng)方程式為：2NH4++3O2=2NO2+2H2O+4H+，2NO2+O2=2NO3電池工作中“好氧陰極”和“缺氧陰極”之間存在著對電子的競爭作用，NH4+和電極之間存在著對O2的競爭。A項，電極M和P均為燃料電池正極，A正確；B項，由題干信息可知，硝化過程中NH4+被O2氧化，P存在反應(yīng)為：2NH4++3O2=2NO2+2H2O+4H+，2NO2+O2=2NO3，B錯誤；C項，C6H12O6+6H2O24e═6CO2+24H+，若乙室消耗1mol葡萄糖，則乙室產(chǎn)生24molH+，原電池中陽離子移向正極，由于“好氧陰極”和“缺氧陰極”之間存在著對電子的競爭作用，則不可能H+全部進入甲室，即不可能有24molH+進入甲室，C錯誤；D項，若丙室消耗標準狀況下44.8LO2其物質(zhì)的量為：=2mol，NH4++2O2=NO3+H2O+2H+，由于NH4+和電極之間存在著對O2的競爭，故可知則最多有1molNH4+完全轉(zhuǎn)化為NO3，D錯誤；故選A。5．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，該電池的陰極(正極)反應(yīng)為O2+2CO2+4e=2CO32，下列有關(guān)說法中錯誤的是()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，要避免H2、O2的接觸D．放電時，陽極(負極)反應(yīng)式為2H2+2CO324e=2CO2+2H2O【答案】B【解析】該燃料電池中，通入燃料氫氣的電極是負極，通入氧化劑氧氣的電極是正極，負極反應(yīng)式為H22e+CO32=CO2+H2O，正極反應(yīng)式為O2+2CO2+4e═2CO32，放電時，電解質(zhì)中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。A項，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；B項，還原性物質(zhì)在負極發(fā)生氧化反應(yīng)，該類電池的H2可以用CO、CH4等替代，故B錯誤；C項，H2、O2混合物在一定條件下可能發(fā)生爆炸，該電池工作時，要避免H2、O2的接觸，防止爆炸，產(chǎn)生安全事故，故C正確；D項，放電時，氫氣失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陽極(負極)反應(yīng)式為2H2+2CO324e=2CO2+2H2O，故D正確；故選B。6．一種三室微生物燃料電池污水凈化系統(tǒng)的原理如圖所示，圖中含酚廢水中的有機物可用C6H5OH表示。下列說法不正確的是A．左側(cè)電極為負極，苯酚發(fā)生氧化反應(yīng)B．左側(cè)離子交換膜為陰離子交換膜C．右側(cè)電極的電極反應(yīng)式：2NO3+10e+12H+=N2+6H2OD．左右兩側(cè)電極附近溶液的pH均升高【答案】D【解析】A項，根據(jù)裝置圖可知在左側(cè)電極上苯酚失去電子被氧化，發(fā)生氧化反應(yīng)，因此左側(cè)電極為負極，A正確；B項，向其中加入NaCl溶液，Na+向正極移動，Cl向負極移動。根據(jù)選項A分析可知左側(cè)電極為負極，所以左側(cè)離子交換膜為陰離子交換膜，B正確；C項，在右側(cè)電極上NO3得到電子被還原產(chǎn)生N2，則右側(cè)電極的電極反應(yīng)式是：2NO3+10e+12H+=N2↑+6H2O，C正確；D項，在左側(cè)電極上苯酚被氧化產(chǎn)生CO2氣體，電極反應(yīng)式是：C6H5OH28e+11H2O=6CO2↑+28H+，反應(yīng)產(chǎn)生H+使溶液酸性增強，溶液pH減小，D錯誤；故選D。7．(2022·四川省瀘縣第二中學模擬預測)沉積物微生物燃料電池可處理含硫廢水，其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是()A．碳棒b為該微生物電池的正極B．碳棒a上有反應(yīng)：FeSx2xe=Fe2++xS(x≥2)C．電流方向：碳棒b→電阻→碳棒a→含水沉積物→碳棒bD．氧氣的含量、光照強度會影響電池的功率【答案】B【解析】A項，O2在碳棒b得電子生成水，說明碳棒b為該微生物電池的正極，故A正確；B項，電極反應(yīng)式FeSx2xe=Fe2++xS(x≥2)不滿足電荷守恒，故B錯誤；C項，碳棒a失電子是負極，碳棒b得電子是正極，電流方向是從正極經(jīng)外電路流向負極即碳棒b→電阻→碳棒a→含水沉積物→碳棒b，故C正確；D項，由圖可知，CO2在光照和光合菌的作用下反應(yīng)生成氧氣，氧氣在在正極得電子生成水，光照強度越強，光合作用越強，所以氧氣的含量、光照強度會影響電池的功率，故D正確；故選B。8．(2023·河北省衡水中學模擬)研究微生物燃料電池不僅可以獲得高效能源，同時還可對污水、餐廳廢棄物等進行科學處理。利用微生物燃料電池原理處理含乙酸的廢水的示意圖如圖所示。下列說法正確的是()A．工作時，H+由b極區(qū)移向a極區(qū)B．負極反應(yīng)為[Fe(CN)6]3+e=[Fe(CN)6]4C．消耗0.1molCH3COOH，a極區(qū)質(zhì)量減小9.6gD．放電過程中，b極附近溶液的pH變大【答案】C【解析】該原電池中，還原劑CH3COOH在負極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO2，電子從負極流出，電子沿著導線流向正極，正極上[Fe(CN)6]3作氧化劑得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成[Fe(CN)6]4，內(nèi)電路中陽離子移向正極。A項，工作時，a極區(qū)為負極區(qū)，b極區(qū)為正極區(qū)，H+由a極區(qū)移向b極區(qū)，故A錯誤；B項，正極反應(yīng)為[Fe(CN)6]3+e=[Fe(CN)6]4，故B錯誤；C項，負極電極反應(yīng)為CH3COOH8e+2H2O=2CO2↑+8H+，每消耗1molCH3COOH，a板區(qū)釋放2molCO2氣體、8molH+從a極區(qū)移向b極區(qū)，a極區(qū)質(zhì)量減小2mol×44g·mol1+8mol×1g·mol1=96g，則消耗0.1molCH3COOH，a極區(qū)質(zhì)量減小9.6g，故C正確；D項，放電過程中，b極附近溶液的氫離子濃度增大，pH變小，故D錯誤；故選C。9．(2023·內(nèi)蒙古呼和浩特市聯(lián)考)研究微生物燃料電池不僅可以獲得高效能源，還能對工業(yè)污水等進行處理。利用微生物燃料電池處理含硫廢水并電解制備KIO3的原理如圖所示，下列說法不正確的是()A．光照強度大小影響KIO3的制備速率B．電極N處發(fā)生電極反應(yīng)S6e+4H2O=SO42+8H+C．右池中K+通過陽離子交換膜從P極移向Q極D．不考慮損耗，電路中每消耗1molO2，理論上Q極可制得171.2gKIO3【答案】C【解析】石墨電極M處，CO2在光合菌、光照條件下轉(zhuǎn)化為O2，O2在M極放電生成H2O，發(fā)生還原反應(yīng)，M為正極，正極電極反應(yīng)式為O2+4e+4H+=2H2O，N極為負極，硫氧化菌將FeSx氧化為S，硫再放電生成SO42，負極電極反應(yīng)式為S6e+4H2O=SO42+8H+，H+通過質(zhì)子交換膜由右室移向左室；鉑電極P為陰極，鉑電極Q為陽極，陰極反應(yīng)式為2H2O+2e=H2↑+2OH，陽極反應(yīng)式為I2+12OH10e=2IO3+6H2O，陰極生成氫氧根離子，而陽極生成的IO3比消耗的OH少，溶液中K+通過陽離子交換膜從Q極移向P極。A項，光照強度大小影響單位時間內(nèi)生成氧氣的量，即影響電流強度，會影響KIO3的制備速率，故A正確；B項，N極為負極，硫氧化菌將FeSx氧化為S，硫再放電生成SO42，負極電極反應(yīng)式為S6e+4H2O=SO42+8H+，故B正確；C項，鉑電極P為陰極，鉑電極Q為陽極，陰極生成氫氧根離子，而陽極生成的IO3比消耗的OH少，溶液中K+通過陽離子交換膜從Q極移向P極，故C錯誤；D項，不考慮損耗，電路中每消耗1molO2，轉(zhuǎn)移電子為4mol，陽極反應(yīng)式為I2+12OH10e=2IO+6H2O，可知生成KIO3為4mol×=0.8mol，理論上Q極可制得KIO3的質(zhì)量為0.8mol×214g/mol=171.2g，故D正確；故選C。10．微生物燃料電池(MFC)是一種現(xiàn)代化氨氮去除技術(shù)，如圖為MFC碳氮聯(lián)合同時去除的氮轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原理示意圖。A極的電極反應(yīng)式為___________，A、B兩極生成CO2和N2的物質(zhì)的量之比為___________?！敬鸢浮緾H3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋

5∶2【解析】由圖可知A極CH3COO－失電子被氧化的電極反應(yīng)式為CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋；B極電極反應(yīng)式為2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，根據(jù)兩極反應(yīng)式計算，轉(zhuǎn)移相同電子時兩極產(chǎn)生的CO2和N2的物質(zhì)的量比為5:2。11．北京冬奧會賽區(qū)內(nèi)將使用氫燃料清潔能源車輛，某氫氧燃料電池工作示意圖如下。請回答下列問題：(1)電極a為電池的___________極(填“正”或“負”)，其電極反應(yīng)式是___________。(2)向___________極移動(填“a”或“b”)?！敬鸢浮?1)負

H2+2OH2e=2H2O(2)a【解析】由圖可知，該電池為堿性環(huán)境下氫氧燃料電池，電池總反應(yīng)為2H2+O2=2H2O，則通入H2的失去電子為負極，通入O2的得到電子為正極。(1)電極a通入H2，失去電子為電池的負極；其電極反應(yīng)式是H2+2OH2e=2H2O；(2)原