标准课-高三-化学-选修4-教学教案12第十二讲燃料电池.pdf
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1、第十二讲燃料电池 教学目标 1了解常见的燃料电池的种类及其工作原理; 2能够书写电极反应式和电池反应方程式。 知识梳理 知识点一、燃料电池的构造及原理 1燃料电池的定义:燃料电池是一种连续地将燃料 和氧化剂 的化学能直接转换成电能 的化 学电池。这是一种高效、环境友好的发电 装置。 2燃料电池的构成 (1)常见的燃料电池的燃料:H2、一氧化碳、烃、甲醇、葡萄糖、肼、氨、煤气、金属铝 (2)常见燃料电池的氧化剂:纯氧气或空气中的氧气 (3)常用的电解质溶液:酸性(硫酸、磷酸 ) 、碱性( 氢氧化钾 ) 、熔融盐( 碳酸锂和碳酸 钠) 、固体( 在高温下能传导O 2-) 典型例题 1右图为氢氧燃料
2、电池原理示意图,下列叙述正确的是( ) Aa 电极是正极 Bb电极的电极反应4OH 2H2O +4 e O2 C电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极 D氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源答案: D 2 神舟七号 宇宙飞船的能量部分来自太阳能电池,另外内部还配有高效的MCFC 型燃料 电池。 该电池可同时供应电和水蒸气,所用燃料为氢气,电解质为熔融的碳酸钾。已知该电 池的总反应为2H2+O2 = 2H2O, 负极反应为H2 + 2e + CO 3 2= CO 2 + H2O, 则下列推断中, 正确的是 ( ) A电池工作时,CO3 2向负极移动 B电池放电时,外电路电子由通氧气的正极流
3、向通氢气的负极 C正极的电极反应为:4OHO2 +2H2O+2e D通氧气的电极为阳极,发生氧化反应 答案: A 3.(2014 朝阳高二期末19)甲烷燃料电池是一种高效新能源,有关说法不正确的是(电解 质是氢氧化钾溶液)( ) A.负极反应式为:CH4+10OH -8e-=CO 3 2-+7H 2O B.负极反应式为:2O2+4H2O+8e -=8OH- C.电池放电过程中,电解质溶液的pH 不变 D.甲烷燃料电池的能量转化率远比甲烷燃烧的能量大 答案: C 4.下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是(电解质溶液是KOH 溶液)() A. 负极反应式为:CH4 + 10OH - - 8e-=
4、CO 3 2- +7H 2O B. 正极反应式为:2O2 + 4H2O + 8e- = 8OH - C. 电池放电过程中,电解质溶液的pH 值不变 D. 甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大 答案: C 知识点二、新型电解质电池 【例 1】已知右图氢氧燃料电池装置,请分别写出在下列介质中的两极反应方程式。 (1)介质为KOH 溶液 负极反应方程式:H2 - 2e - +2OH-2 H 2O 正极反应方程式:O2+ 4e -+2 H 2O4 OH - 负极方程式书写步骤 第一步 第二步 负极方程式第一步+(第二步) 2 消去 H+ 正极方程式书写步骤 第一步 第二步 正极反应式= 第
5、一步 +(第二步) 2 消去 O 2- H2- 2e - 2H + O2+ 4e - 2O2- O 2- + H 2O 2 OH - O2 + 4e -+2 H 2O4 OH - H +OH- H 2O H2 - 2e -+2OH-2 H 2O 思考: 1.燃料电池中,燃料充当哪个电极? 负极 2.氢氧燃料电池中,铂电极的作用? 吸附和催化 3.氢氧燃料电池中的其它优点? 小结 : 1.燃料电池的电极方程式书写步骤 观察已知条件 确定反应物 判断生成物及其在介质中的稳定性(不共存会反应) 依化合价变化确定e 观察介质并提取介质中关离子依电荷守恒补入方程依介质中 的微粒( H2O、熔融物等)等补
6、平原子。 2.电池工作时,两极溶液pH 变化 依据两极反应方程式,判断电解质溶液pH 变化,口诀:正增负减 (2)介质为H2SO4溶液 负极反应方程式:H2- 2e - 2H+ 正极反应方程式:O2 + 4e -+4 H+2 H 2O (3)介质为NaCl 溶液 负极反应方程式:H2 - 2e - 2H+ 正极反应方程式:O2+ 4e -+2 H 2O4 OH - (4)介质为熔融碳酸盐,正极通入O2和 CO2混合气体 负极反应方程式:H2 - 2e - + CO 3 2- H2O + CO2 正极反应方程式:O2 + 4e -+ 2CO 22CO3 2- (5)介质为熔融氧化物 负极反应方程
7、式:H2 - 2e - + O2-H 2O 正极反应方程式:O2 + 4e -2O2- 【例 2】 C2H5OH -空气燃料电池,碱性介质中负极反应方程式 答案 :负极方程式: C2H6O - 12e - +16OH- 2CO3 2 -+ 11H 2O 思考: (1)该电池,若在酸性介质中,负极反应方程式C2H6O - 12e- + 2H2O 2CO32 - + 16H+ (2) 该电池,若在熔融碳酸盐介质中,负极反应方程式C2H6O-12e-+6CO32 - 8CO2 +3 H2O (3)该电池,若在熔融氧化物介质中,负极反应方程式C2H6O-12e- + O2 - CO2 + 3H2O (
8、4)该电池,若在熔融碳酸盐介质中,正极为何要补充CO2?若在熔融氧化物介质中,需 要补充吗? 正极反应物若仅是氧气,会生成O2-,影响介质成份,若补入CO2,可以生成CO32-。 但在熔融氧化物介质中不需要。 小结:负极燃料是化合物时,负极产物的判断方式 【练习反馈】 1. 甲烷 -空气燃料电池,在碱性条件中负极反应方程式 答案 :CH4 8e -+10 OH- = CO 3 2- + 7H 2O 教学建议 1.改变介质环境中性条件、介质酸性条件、介质碱性条件,分别写出负极反应方程式 2. 以甲醇为原料,使用酸性电解质构成燃料电池,该燃料电池的负极反应式为 答案 :CH3OH + H2O -
9、6e - = CO2 + 6H + 3. 工业上以粗食盐 (含有少量Ca 2+、Mg2+杂质) 、氨、石灰石等为原料, 可以制备Na2CO3。 熔融 Na2CO3可作甲烷 空气燃料电池的电解质,该电池负极的反应式是 答案 :CH48e+ 4CO3 2= 5CO 2 + 2H2O 4. 我国首创以铝组成的金属 海水 空气电池作为能源的新型海水标志灯,它以海水为电 解质溶液, 靠空气中的氧气使铝组成的金属不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分 钟,就会发出耀眼的白光。则该电源负极反应为_ 答案 :Al - 3e - = Al 3+ 5.NH3-空气燃料电池,在碱性条件中工作,工作时无污染物产生
10、。 其负极反应方程式 答案 :2 NH3 6e - + 6OH - N2 + 6H2O 6.肼空气燃料电池是一种碱性电池,工作时无污染。 该电池放电时,负极的反应式 答案 : N2H4 - 4e - + 4OH - N2 + 4H2O 【拓展】 (2014 海淀期末)微生物燃料电池是一种利用微生物将化学能直接转化成电能的装 置。已知某种甲醇微生物燃料电池中,电解质溶液为酸性,示意图如下: 该电池外电路电子的流动方向为(填写 从A到B 或 从B到A )。 工作结束后 ,B电极室溶液的 pH与工作前相比将(填写 增大 、 减小 或 不变 , 溶液体积变化忽略不计)。 A 电极附近甲醇发生的电极反应
11、式为。 答案: 从 A 到 B 不变 CH3OH + H2O - 6e - = 6H+ CO 2 教学建议 1.电池工作结束之后,两极pH 变化要结合 方程式中H +或 OH- 的变化 和 电子移动数量 。 因为电子移动数量和质子交换膜中转移的H +的数量相等。 2.电池工作过程中,两极pH 变化依据方程式中H +或 OH-的变化 典型例题 1 ( 20142015 北师大二附高二期中21)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料,两 电极上分别通入CH4和 O2,电解质为KOH 溶液。某研究小组将甲烷燃料电池作为电源, 进行饱和氯化钠溶液电解实验,如图所示。回答下列问题: (1)甲烷燃料电池正
12、极、负极的电极反应分别为_,_。 (2)b 电极上得到的气体是_,电解氯化钠溶液的总反应方程式为_。 (3) 若甲烷通入量为1 L( 标准状况 ), 且反应完全, 则最多能产生的氯气体积为_ L( 标 准状况 )。 (4)以甲醇( CH3OH)为燃料的电池中,电解质溶液为酸性,则正极、负极的电极反应分 别为 _, _。 答案: (1)O2+4e -+2H 2O=4OH -,CH 4-8e -+10OH-=CO 3 2-+7H 2O (2)H2,略。 (3)4L (4)O2+4e -+4H+=2H 2O,CH3OH-6e+H2O -=CO 2+6H + 2. (2011-2012 人大附第二学期
13、期末32) 全球气候变暖已经成为全世界人类面临的重大问题,温家宝总理在 哥本哈根会议 上承诺到 2020 年中国减排温室气体40%。 (3) 减少温室气体排放的关键是节能减排,大力开发利用燃料电池就可以实现这一目标。如 图所示甲烷燃料电池就是将电极表面镀一层细小的铂粉,铂吸附气体的能力强,性质稳定。 将其插入KOH 溶液从而达到吸收CO2的目的,请回答: 通入甲烷一极的电极反应式为_ 。 随着电池不断放电,电解质溶液的pH_(填 增大 、 减小 或 不变 ) 答案:CH 巩固练习 1下列关于燃料电池的叙述中正确是() A氢氧燃料电池就是把氢气在氧气中燃烧产生的热量转化为电能 B氢氧燃料电池的负
14、极通入的气体是氢气,正极通入的是氧气 C氢氧燃料电池中氢气和氧气分别在负极和正极上发生还原反应和氧化反应 D燃料电池的优点的能量转换率高,生成物对环境影响小 答案: BD 2(2010 安徽卷)某固体酸燃料电池以CaHSO4固体为电解质传递H , 其基本结构见下图, 电池总反应可表示为:2H2O22H2O,下列有关说法正确的是( ) A电子通过外电路从b 极流向 a 极 Bb 极上的电极反应式为:O22H2O 4e4OH C每转移0.1 mol 电子,消耗1.12 L 的 H2 DH由 a 极通过固体酸电解质传递到b 极 答案: D 3 ( 2007 年高考广东化学卷)科学家近年来研制出一种新
15、型细菌燃料电池,利用细菌将有 机物转化为氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池负极反应为( ) AH2 2OH 2H2O 2e B.O24H4e2H2O C.H22H2eD.O22H2O4e4OH 答案: C 4氢氧燃料电池已用于航天飞机,它是以铂作电极,KOH溶液作电解质,正极反应为: O2 + 2H2O + 4e 4OH ,负极反应为: H 2 + 4OH 4e 4H2O 下列叙述不正确的 是() AH2在负极发生氧化反应 B燃料电池的能量转化率可达100% C是一种高效、环保的发电装置 D供电时的总反应为:2H2 + O22H2O 答案: B 5用二根铂丝作电极插入KOH 溶液
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