搜索
第2课时燃料电池课前预习导学目标导航学习目标重点难点了解燃料电池的工作原理1.了解燃料电池的工作原理;2.能够正确书写燃料电池的电极反应预习导引1.燃料电池:燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池,所以燃料电池也是化学电源。它与其他电池不同,它不是把还原剂、氧化剂全部贮存在电池内,而是在工作时,不断地从外界输入,同时把电极反应产物不断排出电池。因此,燃料电池是名符其实地把化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、煤气、水煤气、甲烷等气体;从正极连续通入氧气或空气。电解液可以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。燃料电池中的最终产物和燃烧时的产物相同。预习交流1燃料电池有哪些优点?答案:燃料电池的优点是能量利用率高,设备轻便,减轻污染,能量转换率可达80%以上。2.当前广泛应用于空间技术的一种典型燃料电池就是氢氧燃料电池,它是一种高效低污染的新型电池,主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极,碳电极上嵌有微细分散的铂等金属作催化剂,如铂电极、活性炭电极等,具有很强的催化活性。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。预习交流2根据你对电解质概念的理解,构成燃料电池的“电解质溶液”是否一定必须是水溶液?答案:不一定,也可以是熔融的电解质,其作用是传导离子而导电。课堂合作探究问题导学1.氢氧燃料电池活动与探究1如图是氢氧燃料电池示意图,请你根据示意图判断正负极,并试写出在不同电解质中的电极反应。氢氧燃料电池示意图燃料电池介质电池反应:2H2+O22H2O酸性负极2H2-4e-4H+正极O2+4H++4e-2H2O中性负极2H2-4e-4H+正极O2+2H2O+4e-4OH-碱性负极2H2+4OH--4e-4H2O正极O2+2H2O+4e-4OH-迁移与应用下图为氢氧燃料电池原理示意图,按照此图的提示,下列叙述不正确的是()A.a电极是负极B.b电极的电极反应为:4OH--4e-2H2O+O2↑C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置解析:分析氢氧燃料电池原理示意图,可知a极为负极,其电极反应为:2H2-4e-4H+,b极为正极,其电极反应为:O2+2H2O+4e-4OH-,电池总反应为:2H2+O22H2O。H2为还原剂,O2为氧化剂,H2、O2不需全部储藏在电池内,故答案为B。答案:B燃料电池电极反应的书写方法:(1)书写燃料电池电极反应一般分为三步:第一步,先写出燃料电池的总反应;第二步,再写出燃料电池的正极反应;第三步,在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应减去正极反应即得到负极反应。(2)书写燃料电池的总反应时就相当于燃料燃烧,然后看一下产物与所用电解质是否能发生反应,若能发生反应,电解质溶液也参与反应,要写在总反应中。(3)燃料电池正极反应物一律是氧气,正极都是氧气得到电子的还原反应,所以可先写出正极反应,正极反应的本质都是O2得电子生成O2-,故正极反应的基础都是O2+4e-2O2-。正极产生的O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。①在酸性环境中,O2-不能单独存在,可供O2-结合的微粒有H+和H2O,O2-优先结合H+生成H2O。这样,在酸性电解质溶液中,正极反应为O2+4H++4e-2H2O。②在中性或碱性环境中,O2-也不能单独存在,O2-只能结合H2O生成OH-,故在中性或碱性电解质溶液中,正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-。③在熔融的碳酸盐环境中(如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物),O2-也不能单独存在,O2-可结合CO2生成CO32-,则其正极反应为O2+2CO2+4e-2CO32-。④电解质为固体电解质(如固体氧化锆—氧化钇),该固体电解质在高温下可允许O2-在其间通过,故其正极反应应为O2+4e-2O2-。(4)一般燃料电池的负极反应都是采用间接方法书写,即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应和正极反应,然后在电子守恒的基础上用总反应减去正极反应即得负极反应。2.有机物燃料电池活动与探究2将铂丝插入KOH溶液作电极,然后向两个电极上分别通入甲烷和氧气,可以形成原电池,由于发生的反应类似于甲烷的燃烧,所以称作燃料电池,根据两极上反应的实质判断,通入甲烷的一极为,这一极的电极反应为;通入氧气的一极为,电极反应为,总反应为。答案:负极CH4+10OH-CO32-+7H2O+8e-正极2O2+4H2O+8e-8OH-CH4+2O2+2OH-CO32-+3H2O迁移与应用写出以KOH溶液为电解质溶液,负极通入下列物质时燃料电池的电极反应。(1)乙烯(C2H4)负极:;(2)乙烷(C2H6)负极:;(3)丙烷(C3H8)负极:;(4)丁烷(C4H10)负极:;(5)甲醇(CH3OH)负极:;(6)乙醇(C2H5OH)负极:。答案:(1)C2H4+16OH--12e-2CO32-+10H2O(2)C2H6+18OH--14e-2CO32-+12H2O(3)C3H8+26OH--20e-3CO32-+17H2O(4)C4H10+34OH--26e-4CO32-+22H2O(5)CH3OH+8OH--6e-CO32-+6H2O(6)C2H5OH+16OH--12e-2CO32-+11H2O有机物碱性燃料电池正负极反应的书写方法:正极:O2+2H2O+4e-4OH-负极:有机物+xOH--ne-yCO32-+zH2O,x、y、z、n的确定步骤:①依据有机物中C原子数确定y;②依据有机物中C原子化合价的变化总数确定得失电子数,即n;③根据电极反应两边守恒,x=2y+n,确定x值;④根据H原子守恒确定z。当堂检测1.科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机酸转化为氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池放电。电池负极反应为()A.H2+2OH--2e-2H2OB.O2+4H++4e-2H2OC.H2-2e-2H+D.O2+2H2O+4e-4OH-解析:根据该燃料电池是由H2进入以磷酸为电解质的电池,即该电池的负极应该是H2失电子被氧化,故选C项。答案:C2.宇宙飞船使用的是氢氧燃料电池,其电池反应为2H2+O22H2O,电解液为KOH,反应保持在较高温度,使H2O蒸发。下列说法正确的是()A.此电池能发出蓝色的火焰B.H2为正极,O2为负极C.工作时电解液pH不断减小D.电极反应:负极,2H2+4OH--4e-4H2O;正极,O2+2H2O+4e-4OH-解析:燃料电池中的反应不再有燃烧现象,故A错误;反应中H2被氧化,为负极,O2为正极,B错误;反应中电解液KOH的质量不变,而且由题意可知反应产生的水蒸发,故电解液浓度不变,则pH不变,C错误。答案:D3.用两根铂丝作电极插入KOH溶液中,再分别向两极通入甲烷气体和氧气,可形成原电池——燃料电池,该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2K2CO3+3H2O,下列说法错误的是()A.通甲烷的一极为负极,通氧气的一极为正极B.放电时,通入O2一极附近溶液的pH升高C.放电一段时间后,KOH的物质的量不发生变化D.通甲烷一极的电极反应是:CH4+10OH--8e-CO32-+7H2O解析:原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,由总反应知,此燃料电池的电极反应是:正极:2O2+4H2O+8e-8OH-。负极:CH4+10OH--8e-CO32-+7H2O。由此可见A、B、D正确,C错误。答案:C4.设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池,一个电极通入空气,另一个电极通入汽油蒸气,电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体,它在高温下能传导O2-。回答如下问题:(1)以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是。(2)这个电池的正极发生的反应是。负极发生的反应是。固体电解质里的O2-的移动方向是。向外电路释放电子的电极是。解析:由原电池原理知:负极失电子后经导线转移到正极,根据电性关系,内电路中,O2-向负极移动。答案:(1)2C4H10+13O28CO2+10H2O(2)O2+4e-2O2-C4H10+13O2--26e-4CO2+5H2O向负极移动负极5.被誉为改变未来世界的十大新科技之一的燃料电池具有无污染、无噪音、高效率的特点。如图为氢氧燃料电池的结构示意图,电解质溶液为KOH溶液,电极材料为疏松多孔石墨棒。当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时,便可在闭合回路中不断地产生电流。试回答下列问题:(1)图中通过负载的电子流动方向(填“向左”或“向右”)。(2)写出氢氧燃料电池工作时电极反应和总反应。正极反应:,负极反应:,总反应:。(3)若将此燃料电池改进为直接以甲烷和氧气为原料进行工作时,正极反应式为;负极反应式为。解析:H2在负极上被氧化,O2在正极上被还原,电解质溶液为KOH溶液,在书写电极反应时不出现H+,可以出现OH-。写甲烷燃料电池的电极反应时,甲烷被O2氧化的产物是CO2,在碱溶液中继续反应生成CO32-。答案:(1)向右(2)2H2O+O2+4e-4OH-2H2+4OH--4e-4H2O2H2+O22H2O(3)2O2+4H2O+8e-8OH-CH4+10OH--8e-CO32-+7H2O