專(zhuān)題22實(shí)踐活動(dòng)5制作簡(jiǎn)單的燃料電池（教材深度精講）-2023-2024學(xué)年高二化學(xué)知識(shí)整合講練（人教版2019選擇性必修1）（原卷版）

專(zhuān)題22實(shí)踐活動(dòng)5制作簡(jiǎn)單的燃料電池（教材深度精講）【核心素養(yǎng)分析】1.化觀念與平衡思想：理解燃料電池的工作原理。2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：依據(jù)燃料電池的原理，建立燃料電池模型，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)和制作氫氧燃料電池。3.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：了解燃料電池的實(shí)踐意義。【知識(shí)導(dǎo)圖】【目標(biāo)導(dǎo)航】1.知道燃料電池的工作原理。2.能說(shuō)出化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的意義。3.能利用燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)燃料電池?！局仉y點(diǎn)精講】一、知識(shí)必備1.燃料電池（1）定義：燃料電池是一種與其他化學(xué)電源不同的特殊電源,其特殊之處就是燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)部,而是由外部連續(xù)供給到電極上進(jìn)行反應(yīng),生成物不斷地被排出,可連續(xù)不斷地提供電能。燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率很高,可達(dá)80%以上。（2）分類(lèi)：根據(jù)電解質(zhì)的不同,燃料電池又可進(jìn)一步分為酸性燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池等。①氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分為酸性和堿性?xún)煞N。種類(lèi)酸性堿性負(fù)極反應(yīng)式2H2－4e－=4H＋2H2＋4OH－－4e－=4H2O正極反應(yīng)式O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－電池總反應(yīng)式2H2＋O2=2H2O備注燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強(qiáng)的催化活性，起導(dǎo)電作用②甲烷燃料電池a.酸性介質(zhì)(如H2SO4)或傳導(dǎo)質(zhì)子（H＋）固體介質(zhì)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋8H＋=4H2O。b.堿性介質(zhì)(如KOH)總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4H2O=8OH－。c.熔融鹽介質(zhì)(如K2CO3)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4CO32=5CO2＋2H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4CO2=4CO32。d.用能傳導(dǎo)氧離子(O2)的固體作介質(zhì)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4O2=CO2＋2H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－=4O2。（3）燃料電池的分析方法①解答燃料電池題目的思維模型②解答燃料電池題目的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)a.要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。b.通入負(fù)極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。c.通過(guò)介質(zhì)中離子的移動(dòng)方向，可判斷電池的正負(fù)極，同時(shí)考慮該離子參與靠近一極的電極反應(yīng)。3.電解水型的電解質(zhì)的電解電解質(zhì)類(lèi)型電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式電解質(zhì)溶液濃度溶液pH電解質(zhì)溶液復(fù)原含氧酸，如H2SO4陰極：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－陽(yáng)極：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋總反應(yīng)式：2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2H2↑＋O2↑增大減小加水可溶性強(qiáng)堿，如NaOH增大活潑金屬含氧酸鹽，如KNO3不變二、實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理1.電解水：陰極：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－；陽(yáng)極：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋,總反應(yīng)式：2H2Oeq\o(,\s\up7(電解))2H2↑＋O22.氫氧燃料電池：負(fù)極：2H2－4e－=4H＋；正極：O2＋4e－＋4H＋=2H2O，總反應(yīng)式：2H2＋O2=2H2O實(shí)驗(yàn)用品儀器:U形管、石墨棒(石墨棒使用前應(yīng)該經(jīng)過(guò)烘干活化處理),3~6V的直流電源、鱷魚(yú)夾、導(dǎo)線(xiàn)和開(kāi)關(guān)、電流表(或發(fā)光二極管、音樂(lè)盒等)。藥品:1mol/LNa2SO4溶液、酚酞溶液。實(shí)驗(yàn)步驟1.電解水：在U形管中注入1mol·L1Na2SO4溶液,再滴入2滴酚酞溶液。在U形管的兩邊分別插入一根石墨棒,并用鱷魚(yú)夾、導(dǎo)線(xiàn)連接直流電源。閉合K1,接通直流電源開(kāi)始電解，觀察現(xiàn)象。2.制作一個(gè)氫氧燃料電池：當(dāng)電解水進(jìn)行2min后,打開(kāi)K1,斷開(kāi)直流電源,將兩根石墨棒用導(dǎo)線(xiàn)分別與電流表連接,閉合K2,觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1.陽(yáng)極產(chǎn)生氣泡，陰極產(chǎn)生氣泡，電極附近的溶液變紅，陽(yáng)極液面高。2.電流表指針偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.電解1mol·L1Na2SO4溶液，陽(yáng)極得到O2，陰極得到H2。2.氫氣與氧氣反應(yīng)由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)。三、問(wèn)題與討論1.用惰性電極電解硫酸鈉溶液時(shí),為何實(shí)質(zhì)上是電解水?2.用石墨電極電解硫酸鈉溶液時(shí),滴加酚酞有何現(xiàn)象?3.本實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)電解水,為什么不直接電解蒸餾水而是電解1mol·L1Na2SO4溶液?4.本實(shí)驗(yàn)可使用哪些溶液代替Na2SO4溶液實(shí)現(xiàn)電解水?5.若設(shè)計(jì)甲烷堿性(KOH溶液)燃料電池,正、負(fù)極分別通入什么氣體?寫(xiě)出電極反應(yīng)式。6.列表比較氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理?！镜漕}精練】考點(diǎn)1、考查電解水的原理及其應(yīng)用例1.近時(shí)，新加坡南洋理工大學(xué)/香港城市大學(xué)劉彬教授探究電解水過(guò)程取得進(jìn)展。裝置如圖所示。下列敘述錯(cuò)誤的是A．石墨1都是陽(yáng)極，石墨2上都發(fā)生還原反應(yīng)B．相同條件下，氣體1、氣體2體積比為2：1C．圖2中石墨1電極反應(yīng)式為4OH4e=2H2O+O2↑D．圖1中轉(zhuǎn)移1mol電子理論上有1molH+向石墨2極遷移【變式訓(xùn)練1】氫能源具有來(lái)源廣、熱值高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。一種新型電解水制氫氣技術(shù)采用全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)體系。在電解水時(shí)，電極均采用多孔電極，水蒸氣(混有少量)從電解池的氫電極通入，裝置原理如圖，下列說(shuō)法不正確的是A．電解時(shí)，氧電極連接體與外接電源的正極相連B．氫電極發(fā)生的反應(yīng)：C．多孔電極的結(jié)構(gòu)有利于氣體的擴(kuò)散和傳輸D．當(dāng)電解時(shí)，則電解質(zhì)中由氫電極向氧電極遷移考點(diǎn)2、考查燃料電池的制作原理及其應(yīng)用例2.在制作簡(jiǎn)單氫氧燃料電池過(guò)程中，下列操作步驟或說(shuō)法不正確的是A．應(yīng)先閉合，一段時(shí)間后，打開(kāi)，再閉合B．先閉合時(shí)左側(cè)電極反應(yīng)式為C．當(dāng)先閉合，打開(kāi)時(shí)，U形管右側(cè)溶液會(huì)變紅D．過(guò)程中是先將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)