高中化学复习知识点烃燃料电池.docx

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高中化学复习知识点烃燃料电池

高中化学复习知识点：

烃燃料电池

一、单选题

1．科学家发现对冶金硅进行电解精炼提纯可降低高纯硅制备成本。

相关电解槽装置如图所示，用Cu—Si合金作硅源，在950℃下利用三层液熔盐进行电解精炼，并利用某CH4燃料电池（如图所示）作为电源。

下列有关说法不正确的是（）

A．左侧电解槽中：

Si优先于Cu被氧化

B．电极c与b相连，d与a相连

C．a极的电极反应为CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O

D．相同时间下，通入CH4、O2的体积不同，会影响硅的提纯速率

2．第十一届全国少数民族传统体育运动会2019年9月8-16日在郑州举行，运动会上火炬传递使用的燃料是丙烷（C3H8）。

已知丙烷在298K，101kPa条件下的燃烧热为2220kJ·mol-1。

下列有关丙烷的说法正确的是（）

A．在298K、101kPa条件下，表示丙烷燃烧热的热化学方程式为：

C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（g）△H=-2220kJ·mol-1

B．已知CH3CH=CH2（丙烯）和H2的燃烧热分别为2049kJ·mol-1和285.8kJ·mol-1，则相同条件下，反应C3H8（g）→CH3CH=CH2（g）+H2（g）的△H=+114.8kJ·mol-1

C．以丙烷和空气为原料、稀硫酸为电解质溶液，能形成燃料电池，则通入空气的电极发生的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-

D．丙烷气体用作便携式固体氧化物燃料电池的燃料时，电路中每通过5mol电子，有5.6L丙烷被氧化

3．燃料电池是燃料（如氢气、甲烷、一氧化碳等）跟氧气（或空气）起反应将化学能转变为电能的装置，电解质溶液是强碱溶液。

下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是（　　）

A．负极反应式：

O2＋2H2O＋4e－

4OH－

B．负极反应式：

CH4＋8OH－－8e－

CO2＋6H2O

C．随着放电的进行，溶液中氢氧根离子的浓度不变

D．放电时溶液中的阴离子向负极移动

4．有一种新型燃料电池，工作时在一极通入空气，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-。

现用该燃料电池和惰性电极电解Na2SO4溶液一段时间，假设电解时温度不变，下列说法不正确的是（）

A．在熔融电解质中，O2-由正极移向负极

B．通入空气的一极是正极，电极反应式为O2+4e-=2O2-

C．电解池的阳极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑

D．电解一共生成0.9mol气体时，理论上消耗0.1mol丁烷

5．有一种瓦斯分析仪（如图甲）能够在煤矿巷道中的甲烷达到一定浓度时，通过传感器显示出来。

该瓦斯分析仪工作原理类似燃料电池的工作原理，其装置如图乙所示，其中的固体电解质是Y2O3－Na2O，O2－可以在其中自由移动。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．瓦斯分析仪工作时，电池外电路中电流由电极b流向电极a

B．电极b是正极，O2－由电极a流向电极b

C．电极a的反应式为CH4＋5O2－－8e－=CO32—＋2H2O

D．当固体电解质中有1molO2－通过时，电子转移4mol

6．一种新型燃料电池，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-。

下列有关该燃料电池的说法正确的是（）

A．在熔融电解质中，O2-移向正极

B．电池总反应式：

2C4H10＋13O2=8CO2＋10H2O

C．通入空气的一极是负极，电极反应式为O2＋4e-=2O2-

D．通入丁烷的一极是正极，电极反应式为C4H10＋26e-＋13O2-=4CO2＋5H2O

7．瓦斯爆炸是煤矿开采中的重大危害，一种瓦斯分析仪（图甲）的传感器在煤矿巷道中的甲烷达到一定浓度时可以显示。

该瓦斯分析仪工作原理类似燃料电池的工作原理，其装置如图乙所示，

其中的固体电解质是Y2O3—Na2O，O2－可以在其中自由移动。

下列有关叙述不正确的是

A．电极b是正极，内电路中O2－由电极b流向电极a

B．电极a的反应式为：

CH4+4O2－－8e－＝CO2+2H2O

C．瓦斯分析仪工作时，电池内电路中电子由电极b流向电极a

D．当固体电解质中有1molO2－通过时，电子转移2mol

8．燃料电池是利用燃料（如H2、CO、CH4等）跟氧气或空气反应，将化学能转化成电能的装置，电解质溶液是强碱。

下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是（）

A．负极反应为：

O2+2H2O+4e=4OH-

B．负极反应为：

CH4+10OH--8e—=CO32-+7H2O

C．放电时溶液中的阴离子向正极移动

D．随放电的进行，溶液的pH值不变

9．高锰酸钾在化工医药、水处理等很多方面有重要应用，可以用电解法制备，装置如图所示。

直流电源采用乙烷一空气的碱性燃料电池。

下列说法正确的是

（已知电流效率η=

×100%）

A．电源负极的电极反应式为C2H6-14e-+6H2O=2CO32-+18H+

B．该离子交换膜为阴离子交换膜

C．a极为直流电源的负极

D．若消耗0.02molO2，产生0.055molKMnO4，则η=68.75%

10．一种新型的燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，其总反应为：

2C2H6＋7O2＋8KOH=4K2CO3＋10H2O，下列说法正确的是

A．负极反应为14H2O＋7O2＋28e－=28OH－

B．放电一段时间后，负极周围的pH升高

C．每消耗1molC2H6，则电路上转移的电子为14mol

D．放电过程中KOH的物质的量浓度不变

二、综合题

11．中科院一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯，甲烷在催化作用下脱氢，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯，其反应如下：

2CH4（g）⇌C2H4（g）＋2H2（g）　ΔH＞0

化学键

H—H

C—H

C＝C

C—C

E（kJ/mol）

a

b

c

d

（1）已知相关化学键的键能如上表，甲烷制备乙烯反应的ΔH＝____________（用含a、b、c、d的代数式表示）。

（2）T1温度时，向1L的恒容反应器中充入2molCH4，仅发生上述反应，反应过程中0～15minCH4的物质的量随时间变化如图1，测得10～15min时H2的浓度为1.6mol/L。

①0～10min内CH4表示的反应速率为__________mol/（L·min）。

②若图1中曲线a、曲线b分别表示在温度T1时，使用质量相同但表面积不同的催化剂时，达到平衡过程中n（CH4）变化曲线，其中表示催化剂表面积较大的曲线是________（填“a”或“b”）。

③15min时，若改变外界反应条件，导致n（CH4）发生图1中所示变化，则改变的条件可能是_____________________________________（任答一条即可）。

（3）实验测得v正＝k正c2（CH4），v逆＝k逆c（C2H4）·c2（H2）其中k正、k逆为速率常数仅与温度有关，T1温度时k正与k逆的比值为______（填数值）。

若将温度由T1升高到T2，则反应速率增大的倍数v正____v逆（填“>”“＝”或“<”），判断的理由是_________________。

（4）科研人员设计了甲烷燃料电池并用于电解。

如图2所示，电解质是掺杂了Y2O3与ZrO2的固体，可在高温下传导O2－。

①C极的Pt为______极（填“阳”或“阴”）。

②该电池工作时负极反应方程式为_____________________。

③用该电池电解饱和食盐水，一段时间后收集到标况下气体总体积为112mL，则阴极区所得溶液在25℃时pH＝_______（假设电解前后NaCl溶液的体积均为500mL）。

12．天然气的主要成分甲烷燃烧生成二氧化碳和液态水的热化学方程式如下，请回答下列问题：

CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=﹣889.6kJ/mol．

（1）反应物能量总和_____（填“大于”、“小于”或“等于”）生成物能量总和．

（2）若1mol甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气，则放出的热量_____889.6kJ．（填“＞”、“＜”或“=”）

（3）已知氢气燃烧生成液态水的热化学方程式是：

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H=﹣572kJ/mol，则相同质量的甲烷和氢气，完全燃烧生成液态水，放热较多的是_____．

（4）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．

①已知甲烷燃料电池的总反应式为CH4+2O2+2KOH═K2CO3+3H2O，通入甲烷的这个电极是_____（填“正极”或“负极”），其另外一电极上的电极反应式为：

__________________．

②通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率_____（填“大于”、“小于”或“等于”）甲烷燃烧的能量利用率．

参考答案

1．B

【解析】

【分析】

【详解】

A．由图示可知，电解的阳极反应为硅失去电子被氧化为

，阴极反应为

得到电子被还原为硅单质，A正确；

B．由图示可知，电解池中d极Si失电子为阳极，c为阴极，原电池中a极甲烷失电子为负极，b为正极，原电池的负极，正极分别与电解池的阴极，阳极相连，所以电极c与a相连，d与b相连，B错误；

C．a电极通入甲烷，所以a是负极，失去电子化合价升高，发生氧化还原，方程式为：

，C正确；

D．相同时间下，通入

、

的体积不同，会导致实际参与反应的

、

的量不同，从而导致转移的电子量不同，会影响硅提纯速率，D正确。

答案选B。

2．B

【解析】

【详解】

A.燃烧热指1mol可燃物完全燃烧生成稳定的氧化物和液态水放出的热量，该方程式中是气态水，A错误；

B.已知CH3CH=CH2（丙烯）和H2的燃烧热分别为2049kJ·mol-1和285.8kJ·mol-1，则C3H6（g）+4.5O2（g）=3CO2（g）+3H2O（l）△H=-2049kJ·mol-1、H2（g）+0.5O2（g）=H2O（l）△H=-285.8kJ·mol-1，又因为C3H8（g）+5O2（g）=3CO2（g）+4H2O（l）△H=-2220kJ·mol-1，根据盖斯定律，－－得到反应C3H8（g）→CH3CH=CH2（g）+H2（g）的△H=+114.8kJ·mol-1，B正确；

C.以丙烷和空气为原料、稀硫酸为电解质溶液，能形成燃料电池，则通入空气的电极发生的电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，C错误；

D.丙烷气体用作便携式固体氧化物燃料电池的燃料时，电路中每通过5mol电子，有5.6L丙烷被氧化，没有指明丙烷气体状态无法计算物质的量，D错误；

答案选B。

3．D

【解析】

【分析】

燃料电池中，通入燃料的电极失电子发生氧化反应，电极反应式为：

CH4+10OH--8e-═CO32-+7H2O，所以为负极，通入氧化剂的电极得电子发生还原反应，电极反应式为：

2O2+4H2O+8e-═8OH-，所以为正极；所以电池反应式为：

2O2+CH4+2OH-═CO32-+3H2O，根据总反应式判断溶液的pH变化；由电子的流向，判断溶液中离子的移动方向。

【详解】

A.负极上CH4失电子发生氧化反应，故A错误；

B.燃料电池中，通入燃料的一极为负极，负极上失电子发生氧化反应，甲烷失电子生成二氧化碳和水，二氧化碳能和碱反应生成碳酸盐和水，所以负极电极反应式为：

CH4+10OH--8e-═CO32-+7H2O，故B错误；

C.该电池反应式为2O2+CH4+2OH-═CO32-+3H2O，消耗了溶液中的氢氧根离子，且有溶剂水生成，导致溶液中氢氧根离子的浓度降低，故C错误；

D.放电时，电子从负极经外电路流向正极，溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极，故D正确。

故选D。

4．D

【解析】

【详解】

A.在原电池中，阴离子由正极移向负极，A正确；

B.通入空气，氧气在正极发生还原反应，生成O2-，B正确；

C.电解Na2SO4溶液实质是电解水，阳极OH－发生氧化反应，其电极反应为：

2H2O-4e-=4H++O2↑，C正确；

D.电解一共生成0.9mol气体时，消耗0.6molH2O，转移1.2mol电子；1molC4H10完全燃烧时，转移26mol电子，转移1.2mol电子时，所以需消耗丁烷

mol，D错误；

故答案为：

D。

5．A

【解析】

【详解】

A．电池外电路中电流由正极流向负极，氧气得电子，b极为正极，A正确；

B．电极b氧气得电子，生成O2－，O2－由正极（电极b）流向负极（电极a），B错误；

C．甲烷所在电极a为负极，电极反应为CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O，C错误；

D．1molO2得4mol电子生成2molO2－，故当固体电解质中有1molO2－通过时，电子转

移2mol，故D错误。

答案选A。

6．B

【解析】

【分析】

丁烷具有还原性，为原电池的负极，被氧化，电极反应式为C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O，通入空气的一极为原电池的正极，发生还原反应，电极反应式为O2+4e-=2O2-，总反应式为2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，以此解答该题，注意电解质和离子的定向移动方向。

【详解】

A.原电池中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，所以在熔融电解质中，O2-移向负极，故A错误；

B.电池的总反应与丁烷燃烧的化学方程式相同，为2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，故B正确；

C.通入空气的一极是正极，在该极上是氧气发生得电子的还原反应，电极反应为：

O2+4e-=2O2-，故C错误；

D.通入丁烷一极是负极，该极上发生失电子的氧化反应，正确的电极反应式为C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O，故D错误；

故选B。

7．C

【解析】

试题分析：

A、依据原电池的构成条件，通甲烷的电极作负极，即电极a作负极，则电极b作正极，根据原电池的工作原理，阴离子由正极流向负极，即电极b流向电极a，故说法正确；B、燃料电池相当甲烷燃烧，其电极a的反应式：

CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O，故说法正确；C、内电路中没有电子通过，只有阴阳离子的移动，故说法错误；D、依据B选项的电极反应式，通过1molO2－，电子转移2mol，故说法正确。

考点：

考查原电池的工作原理等知识。

8．B

【解析】

【分析】

燃料电池的燃料被氧化，在负极反应；氧气被还原，在正极反应；电解质溶液是强碱，写电极反应时不能用H+。

【详解】

A.负极反应为燃料被氧化，不是氧气被还原，A选项错误；

B.负极是CH4发生氧化反应，在强碱性溶液中得到的还原产物是CO32-，反应为：

CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O，B选项正确；

C.放电时溶液中的阴离子向负极移动，C选项错误；

D.该电池的总反应为：

CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O，消耗了碱，同时生成了水，溶液的pH值减小，D选项错误；

答案选B。

【点睛】

书写燃料电池的电极反应要注意所处的环境。

本题中的电解质溶液是强碱，所以甲烷氧化得到的产物不能写成CO2，因为CO2能与碱反应生成碳酸盐。

9．D

【解析】

【详解】

A．电源负极的电极反应式为C2H6−14e－+18OH－=2CO32−+12H2O，故A错误；

B．氢氧化钾浓度增大，因此左边钾离子向右边移动，因此该离子交换膜为阳离子交换膜，故B错误；

C．左边是锰酸钾变为高锰酸钾，化合价升高为阳极，因此连接电源正极，所以a极为直流电源的正极，故C错误；

D．若消耗0.02molO2，电子转移0.02mol×4=0.08mol，产生0.055molKMnO4，转移电子0.055mol×1=0.055mol，则

，故D正确。

综上所述，答案为D。

【点睛】

电化学计算时一定要注意遵循得失电子守恒和整个电路中电子相等。

10．C

【解析】

【详解】

A.在燃料电池中，负极上是燃料发生失电子的氧化反应，在碱性电解质下为C2H6+18OH--14e-═2CO32-+12H2O，故A错误；

B.根据负极反应：

C2H6+18OH--14e-═2CO32-+12H2O，放电一段时间后，该极上消耗氢氧根离子，所以负极周围的pH降低，故B错误；

C.根据电极反应式：

C2H6+18OH--14e-═2CO32-+12H2O，每消耗1molC2H6，则电路上转移的电子数为14mol，故C正确；

D.根据总反应为：

2C2H6+7O2+8KOH═4K2CO3+10H2O，可以知道放电过程中，消耗了氢氧化钾，KOH的物质的量浓度会减小，故D错误；

故选：

C。

【点睛】

在燃料电池中，负极上是燃料发生失电子的氧化反应，C2H6+18OH--14e-═2CO32-+12H2O，正极上是氧气发生得电子的还原反应，2H2O+O2+4e-═4OH-，根据电极反应可以确定电子转移情况以及电极附近溶液的酸碱性变化情况．

11．+（4b-c-2a）kJ/mol0.16b升高温度或减小压强12.8＞温度升高，k正增大的倍数大于k逆阳CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O12

【解析】

【分析】

（1）2CH4（g）⇌C2H4（g）+2H2（g）△H＞0，反应为吸热反应，焓变为正值，反应焓变△H=反应物总键能-生成物总键能；

（2）①根据v=

计算；

②催化剂表面积越大反应速率越快；

③15min时，若改变外界反应条件，导致n（CH4）发生图中所示变化，物质的量随时间变化减小，说明平衡正向进行；

（3）v正=k正c2（CH4），v逆=k逆c（C2H4）•c2（H2）其中k正、k逆为速率常数仅与温度有关，温度不变平衡常数不变，反应达到平衡状态时，正逆反应速率相同得到T1温度时k正与k逆的比值等于K，反应为放热反应，升温平衡正向进行；

（4）甲烷燃料电池并用于电解，通入甲烷的电极为原电池负极，通入氧气的电极为原电池的正极，D电极为阴极，C为阳极，

①C电极为电解池的阳极；

②原电池负极电极反应是甲烷失电子生成二氧化碳，传导离子是氧离子，结合电荷守恒、原子守恒写出电极反应；

③结合电极反应计算溶液中氢离子浓度减少得到增加的氢氧根离子浓度，结合离子积常数计算得到氢离子浓度计算溶液PH。

【详解】

（1）2CH4（g）⇌C2H4（g）+2H2（g）△H＞0，反应为吸热反应，焓变为正值，反应焓变△H=反应物总键能-生成物总键能=（8b-c-4b-2a）kJ/mol=+（4b-c-2a）kJ/moL；

（2）①T1温度时，向1L的恒容反应器中充入2molCH4，仅发生上述反应，测得10-15min时H2的浓度为1.6mol/L，物质的量为1.6mol，反应达到平衡状态，此时消耗甲烷物质的量1.6mol，0～10min内CH4表示的反应速率v=

=

=0.16mol/（L•min）；

②若图1中曲线a、曲线b分别表示在温度T1时，使用质量相同但表面积不同的催化剂时，达到平衡过程中n（CH4）的变化曲线，催化剂表面积越大反应速率越快，达到平衡所需时间越短，其中表示催化剂表面积较大的曲线是b，故答案为：

b；

③15min时，若改变外界反应条件，导致n（CH4）发生图中所示变化，物质的量随时间变化减小，说明平衡正向进行，反应为气体体积增大的吸热反应，升高温度或减小压强，平衡正向进行，符合图象变化；

（3）v正=k正c2（CH4），v逆=k逆c（C2H4）•c2（H2）其中k正、k逆为速率常数仅与温度有关，温度不变平衡常数不变，反应达到平衡状态时，正逆反应速率相同得到，T1温度时k正与k逆的比值=K，测得10-15min时H2的浓度为1.6mol/L，

K=

=12.8，反应为放热反应，升温平衡正向进行，正逆反应速率增大，正反应增大的倍数大于逆反应增大的倍数，v正＞v逆；

（4）①甲烷燃料电池并用于电解，通入甲烷的电极为原电池负极，通入氧气的电极为原电池的正极，D电极为阴极，C为阳极；

②原电池负极电极反应是甲烷失电子生成二氧化碳，传导离子是氧离子，该电池工作时负极反应方程式为：

CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

③用该电池电解饱和食盐水，一段时间后收集到标况下气体总体积为112mL，物质的量n=

=0.005mol，为生成的氢气和氯气，n（H2）=n（Cl2）=0.0025mol，结合电极反应计算，2H++2e-=H2↑，溶液中氢离子浓度减少=增加的氢氧根离子浓度=

×2=0.01mol/L，结合离子积常数计算得到氢离子浓度=

mol/L=10-12mol/L，计算溶液pH=12。

12．大于＜氢气负极O2+4e﹣+2H2O=4OH﹣大于

【解析】

（1）已知CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=﹣889.6kJ/mol，反应是放热反应,所以反应物能量总和大于生成物能量总和；正确答案:

大于。

（2）水蒸气转化为液态水要放出热量，所以1mol甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气,放出的热量小于889.6kJ；正确答案:

。

（3）已知CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=﹣889.6kJ/mol，2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H=﹣572kJ/mol，则1g甲烷完全燃烧放出的热量为

，1g氢气完全燃烧放出的热量为

，所以相同质量的甲烷和氢气，完全燃烧生成液态水，氢气放的热量较多；正确答案:

氢气。

（4）①碱性甲烷燃料电池中通入甲烷的一极为原电池的负极,负极上甲烷失电子发生氧化反应,电极反应式为

通入氧气的一极为原电池的正极，极反应为O2+4e﹣+2H2O=4OH﹣；正确答案：

负极；O2+4e﹣+2H2O=4OH﹣。

②通常情况下,甲烷燃料电池的能量利用率大于甲烷燃烧的能量利用率；正确答案:

大于。