氢氧燃料电池

一、化学电源(电池)的特点与分类1．实用电池一般具有以下的特点(1)能产生比较稳定而且较高电压的电流；(2)安全、耐用且便于携带，易于维护；(3)能够适用于各种环境；(4)便于回收处理，不污染环境或对环境的污染影响较小；(5)能量转换率高。2．化学电池分类(1)一次电池(如锌锰干电池、碱性锌锰电池)(2)二次电池(又叫充电电池或蓄电池，如铅蓄电池)(3)燃料电池(如氢氧燃料电池)【基础题一】(湖南师大附中2010届高三第四次月考)下列有关电池的说法不正确的是()A．手机上用的锂离子电池属于二次电池B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D．锌锰干电池中，锌电极是负极B【解析】手机上用的锂离子电池可以反复充放电，属于二次电池，A选项正确。锌比铜活泼，因此构成原电池时，锌失电子作负极，电子沿外电路流向正极铜，所以B选项错误。二、几种主要化学电源1．一次电池(1)碱性锌锰电池构成：负极是锌，正极是MnO2，电解质是KOH。工作原理：负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－总反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2特点：比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电。(2)纽扣式电池(银锌电池)银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，总反应方程式：Zn＋Ag2O===2Ag＋ZnO特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。(3)锂电池锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。锂电池的主要反应为：负极：8Li－8e－===8Li＋；正极：3SOCl2＋8e－===SO＋2S＋6Cl－总反应式为：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S特点：锂电池是一种高能电池，具有质量轻、电压稳定、工作效率高和储存寿命长的优点。2．二次电池(1)铅蓄电池①铅蓄电池放电原理的电极反应负极：Pb＋SO42-－2e－===PbSO4；正极：PbO2＋4H＋＋SO42-＋2e－===PbSO4＋2H2O总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O②铅蓄电池充电原理的电极反应阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42-；阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO42-总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4(2)镍－镉碱性蓄电池构成：放电时镉(Cd)为负极，正极是NiO(OH)，电解液是KOH。工作原理：负极：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2；正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－总反应式：Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2特点：电压稳定、使用方便、安全可靠、使用寿命长，但一般体积大、废弃电池易污染环境。3．燃料电池(1)氢氧燃料电池当用碱性电解质时，电极反应为负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－总反应：2H2＋O2===2H2O(2)甲烷燃料电池该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气。负极：CH4＋10OH－－8e－===CO32-＋7H2O；正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－总反应方程式为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O(3)CH3OH燃料电池用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入CH3OH和O2。负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO32-＋12H2O；正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－总反应方程式为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O【基础题二】日常所用的干电池的电极分别为碳棒和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2氧化吸收H2)，电极反应可简化为：Zn－2e－===Zn2＋；2NH＋2e－===2NH3＋H2，根据上述叙述判断下列说法正确的是()A．干电池中锌为正极，碳为负极B．干电池工作时，电子由锌极经外电路流向碳极C．干电池长时间连续工作时，内装糊状物可能流出腐蚀用电器D．干电池可实现化学能向电能的转化和电能向化学能的转化BC【思考题】(2010·浙江)Li－Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为：2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe。有关该电池的下列说法中，正确的是()A．Li－Al在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1价B．该电池的电池反应式为2Li＋FeS===Li2S＋FeC．负极的电极反应式为Al－3e－===Al3＋D．充电时，阴极发生的电极反应式为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeSB【解析】Li和Al都属于金属，所以Li－Al应该属于合金而不是化合物，因此化合价为0价，A错误；由正极反应式知负极应该是Li失去电子而不是Al，选项C错误，B正确；充电时阴极相当于原电池的负极，要得电子，正确的反应式是2Li＋＋2e－===2Li，所以选项D也错误。重要考点1二次电池的原理与特点可充电电池是高考常考知识点，二次电池首先需要判断什么情况下是原电池，什么情况下是电解池，二次电池充电时是电解池，放电时是原电池。充电和放电是在两种不同的条件下发生的，充电是在外接电源条件下发生的非自发氧化还原反应，放电是在无外接电源条件下发生的自发氧化还原反应。【考点释例1】化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。(1)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应可以表示为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2；已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸，以下说法中正确的是()①以上反应是可逆反应②以上反应不是可逆反应③充电时化学能转变为电能④放电时化学能转变为电能A．①③B．②④C．①④D．②③(2)废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物，有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。在酸性土壤中这种污染尤为严重。这是因为______________________________________________。(3)下图是废弃镍镉电池中的重金属渗入水体后，进入人体的一条途径：生物体D中重金属浓度________(填“大于”、“等于”或“小于”)生物体A中重金属浓度，这是通过食物链________作用所引起的。除上述途径外，被污染水体中的重金属还可以直接通过________(途径)进入人体。答案：(1)B(2)Ni(OH)2和Cd(OH)2均溶于酸形成有毒的离子(3)大于；富集；被污染的饮用水【温馨提示】1.二次电池的特点：电压稳定、使用方便、安全可靠、使用寿命长，但一般体积大、废弃电池易污染环境。2．二次电池首先需要判断什么情况下是原电池，什么情况下是电解池，二次电池充电时是电解池，放电时是原电池。充电和放电是在两种不同的条件下发生的，充电是在外接电源条件下发生的非自发氧化还原反应，放电是在无外接电源条件下发生的自发氧化还原反应。1.Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为：4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2。此电池工作时，被氧化的物质是()A．LiB．SOCl2C．LiClD．S和SO2A2.氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是H2＋NiO(OH)Ni(OH)2根据此反应式判断，下列叙述中正确的是(双选)()A．放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大B．电池放电时，镍元素被氧化C．电池充电时，氢元素被还原D．电池放电时，H2是负极CD重要考点2燃料电池的原理与特点1．燃料电池的特点燃料电池是利用燃烧反应或与之类似的反应具有能量变化大的特点而设计的电池。它具有高效无污染的特点，正成为新能源研究的重点。燃料电池的工作原理具有如下特点：(1)两电极可能相同，电极不参加反应。电极的作用是催化转换，作用很关键，原理很复杂。(2)氧气等氧化剂总是在正极得电子发生还原反应，燃料在负极失电子发生氧化反应。(3)燃料电池的电解质可能是酸性、碱性和熔融的盐或氧化物。(4)燃料电池总反应式的条件都不能写“点燃”，通常条件不写。2．有氧气参加的燃料电池正极反应式的书写(1)酸性条件(如硫酸)：O2＋4H＋＋4e－===2H2O(2)碱性条件(如KOH溶液)：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(3)熔融的盐(如K2CO3并在通O2的一极通CO2)：O2＋2CO2＋4e－===2CO32-(4)熔融的氧化物(有O2－迁移)O2＋4e－===2O2－若已知燃料电池总反应和正极反应式将很容易书写负极反应式。【考点释例2】(湖南雅礼中学2010届高三12月质量检测)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是()A．该电池能够在高温下工作B．电池的负极反应为：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋C．放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移D．在电池反应中，每消耗1mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体【解析】由于是微生物燃料电池，则不可能在高温下工作，所以A错误；放电过程中，H＋从负极区向正极区迁移，结合O2－形成H2O，所以C错误；消耗1mol氧气则转移4mole－，由C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋计算出：转移4mole－则生成1molCO2，即22.4L，所以D错误。答案：B【温馨提示】(1)燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用。(2)燃料电池在负极上发生氧化反应的是燃料(如H2、CH4、CH3OH等)，在正极上参与反应的是空气或氧气，电解质溶液一般是KOH溶液。(3)书写电极反应方程式时：酸性条件下可用H＋和H2O配平；碱性条件可用OH－和H2O配平。1.(2010·湖南怀化市第二次模拟考试化学试题)据报道，我国拥有完全自主产权的氢氧燃料电池车在北京奥运会期间为运动员提供了服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是()A．正极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－B．工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量浓度不变C．该燃料电池的总反应方程式为：2H2＋O2===2H2OD．用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24LCl2(标准状况)时，有0.2mol电子转移B2.一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体，电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料的说法正确的是(双选)()A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极B．电池的总反应是：2C4H10＋13O2―→8CO2＋10H2OC．通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e－===2O2－D．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e－＋13O2－===4CO2↑＋5H2OBC3.(1)今有2H2＋O22H2O反应，构成燃料电池，则负极通的应是，正极通的应是，电极反应式为负极：、正极：。(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液，则电极反应式为负极：、正极：。(1)和(2)的电解液不同，反应进行后，其溶液的pH各有何变化？。(3)如把H2改为甲烷、KOH作导电物质，则电极反应式为：。H2O22H2＋4OH－－4e－===4H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－2H2－4e－===4H＋O2＋4H＋＋4e－===2H2O(1)变小，(2)变大负极：CH4＋10OH－－8e－===CO32-＋7H2O、正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－【解析】根据电池反应式可知H2在反应中被氧化，O2被还原，因此H2应在负极上反应，O2应在