高中化学复习知识点燃料电池原理及优点.docx

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高中化学复习知识点燃料电池原理及优点

高中化学复习知识点：

燃料电池原理及优点

一、单选题

1．甲醇-空气燃料电池的反应为2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O，下列有关说法正确的是（）

A．甲醇-空气燃料电池的负极反应为CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O

B．一定温度下，反应2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g）能自发进行，该反应的ΔH＞0

C．根据共价键的键能可以准确计算CO2（g）+3H2（g）=CH3OH（g）+H2O（l）的ΔH

D．标准状况下，甲醇-空气燃料电池放电时消耗5.6LO2，转移电子的数目约为3.01×1023

2．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，下列叙述不正确的是（　　）

A．H2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．供电的总反应为：

2H2+O2＝2H2O

3．为了强化安全管理，某油库引进一台测空气中汽油含量的测量仪，其工作原理如图所示（用强酸性溶液作电解质溶液）。

下列说法不正确的是

A．石墨电极作正极，发生还原反应

B．铂电极的电极反应式：

C8H18＋16H2O－50e-===8CO2↑＋50H+

C．H+由质子交换膜左侧向右侧迁移

D．每消耗5.6LO2，电路中通过1mol电子

4．一种以肼（N2H4）为燃料的新型环保电池的工作原理如图所示。

下列说法正确的是

A．电极A的电势比电极B的低

B．电极A的电极反应式为N2H4－4e－+4OH－=N2+4H2O

C．电极B发生氧化反应

D．每消耗11.2L的O2，转移的电子数为2NA

5．“直接煤燃料电池”能够将煤中的化学能高效、清洁地转化为电能，如图是用固体氧化物作“直接煤燃料电池”的电解质。

下列有关说法正确的是（　　）

A．电极b为电池的负极B．电子由电极a沿导线流向b

C．电池反应为C＋CO2===2COD．煤燃料电池比煤直接燃烧发电能量利用率低

6．一种新型固氮燃料电池装置如图所示。

下列说法正确的是

A．通入H2的电极上发生还原反应

B．正极反应方程式为N2＋6e－＋8H＋=2NH4+

C．放电时溶液中Cl－移向电源正极

D．放电时负极附近溶液的pH增大

7．如图为纳米二氧化锰燃料电池，其电解质溶液呈酸性，已知（CH2O）n中碳的化合价为0价，有关该电池的说法正确的是（）

A．放电过程中左侧溶液的pH降低

B．当产生22gCO2时，理论上迁移质子的物质的量为4mol

C．产生22gCO2时，膜左侧溶液的质量变化为：

89g

D．电子在外电路中流动方向为从a到b

8．尿素燃料电池既能去除城市废水中的尿素，又能发电。

尿素燃料电池结构如下图所示，甲电极上发生如下反应：

CO（NH2）2+H2O-6e－→CO2+N2+6H+，则

A．甲电极是阴极

B．电解质溶液可以是KOH溶液

C．H+从甲电极附近向乙电极附近迁移

D．每2molO2理论上可净化1molCO（NH2）2

9．化学用语是学习化学的重要工具，下列用来表示物质变化的化学用语中，正确的是（　　）

A．惰性电解饱和食盐水时，阳极的电极反应为2Cl﹣﹣2e﹣═Cl2↑

B．氢氧燃料电池的正极电极反应为O2+2H2O+4e﹣═4OH﹣

C．粗铜精炼时，与电源正极相连的是纯铜，电极反应为Cu﹣2e﹣═Cu2+

D．钢铁发生吸氧腐蚀时，铁作负极被氧化：

Fe﹣3e﹣═Fe3+

10．下列说法正确的是（）

A．氢氧燃料电池放电时化学能全部转化为电能

B．需高温条件进行的反应均为吸热反应

C．2molSO2与1molO2混合反应，生成的SO3一定小于2mol

D．由分子组成的物质中一定含有共价键

二、综合题

11．I．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置，如

图1为电池示意图,该电池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,请回答：

（1）负极反应式为______．

（2）电极表面镀铂粉的原因为______．

II．分析下列电解过程：

（1）写出惰性电极电解CuSO4溶液的总反应的离子方程式：

______；

（2）写出惰性电极电解NaCl溶液的阳极反应式______；电解一段时间后加______（填物质名称）恢复电解前状况．

III．NO2、O2和熔融KNO3可制作燃料电池,其原理如图2

（1）请写出负极的电极方程式：

______．

（2）相同条件下,放电过程中消耗的NO2和O2的体积比为______．

12．氢气（H2）是最理想的燃料。

回答下列问题：

（1）利用太阳能直接分解水制氢，是最具吸引力的制氢途径，其能量转化形式为___________。

（2）氢气作为燃料的优点是________________（写出一点即可）。

目前，氢氧燃料电池已经使用于汽车。

若该电池的电解质呈碱性，写出负极电池反应式：

_____________；若该电池的电解质呈酸性，写出正极电池反应式：

________________。

（3）氢气可制备H2O2。

工业上较为成熟的方法是蒽醌法，其原理是：

烷基蒽醌与有机溶剂配制成工作溶液，在压力为0.30MPa、温度55～65℃、有催化剂存在的条件下，通入氢气进行氢化，在40～44℃温度下与空气（或氧气）进行逆流氧化，经萃取、再生、精制与浓缩制得质量分数为20%～30%的过氧化氢水溶液产品。

上述过程可用以下反应表示：

I.H2（g）+A（l）=B（l）△H1

II.O2（g）+B（l）=A（l）+H2O2（l）△H2

其中A、B为有机物，两反应均为自发反应，则H2（g）+O2（g）=H2O2（l）的△H_________（填“>”“<”或“=”）0。

（4）金属氢化物（NaH、MgH2等）是常用的储氢材料，写出MgH2与水反应的化学方程式：

__________________。

参考答案

1．A

【解析】

【分析】

甲醇-空气燃料电池的反应为2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O，C元素化合价从-2升高到+4，失电子，化合价升高，在负极反应，O2中O化合价从0价降低到-2价，化合价降低，在正极反应，所以正极反应为：

O2+2H2O+4e-=4OH-，负极反应为：

CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O，据此分析回答。

【详解】

A．由上面分析可知，负极反应为CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O，A正确；

B．2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g）的气体分子数减少，ΔS﹤0，可自发进行，则ΔH-TΔS﹤0，ΔH﹤0，与复述矛盾，B错误；

C．1mol理想气体分子AB断裂为中性气态原子A和B所需要的能量或A和B合成理想气体分子所放出的能量称为键能，涉及的是理想气体分子，答案上给的H2O是液态，所以不能准确计算，C错误；

D．由O2+2H2O+4e-=4OH-可知，22.4LO2参与反应转移4mol电子，所以5.6LO2参与反应转移1mol电子，即6.02×1023个，D错误。

答案选A。

【点睛】

ΔH-TΔS﹤0，化学反应能自发进行。

2．B

【解析】

【分析】

氢氧燃料电池中，通H2的铂电极作负极，通O2的铂电极作正极。

【详解】

A.H2在负极失电子，发生氧化反应，A正确；

B.燃料电池虽然能量的转化率比直接燃烧高，但仍有一部分能量转化为热量而损耗，能量转化率小于100%，B不正确；

C.因为氢氧燃料电池的最终产物为水，所以它是一种高效、环保的发电装置，C正确；

D.负极2H2-4e-+4OH-=4H2O，正极O2+4e-+2H2O=4OH-，将两电极反应式加和，便得到总反应为：

2H2+O2＝2H2O，D正确。

故选B。

3．D

【解析】

【分析】

【详解】

A．在石墨电极，O2+4e-+4H+==2H2O，作正极，发生还原反应，A正确；

B．铂电极为负极，C8H18失电子生成CO2等，电极反应式：

C8H18＋16H2O－50e-==8CO2↑＋50H+，B正确；

C．依据原电池原理，阳离子向正极移动，则H+由质子交换膜左侧向右侧迁移，C正确；

D．依据正极反应式，电路中通过1mol电子时，需消耗0.25molO2，但未指明温度与压强，O2体积不一定是5.6L，D不正确；

故选D。

4．A

【解析】

【分析】

【详解】

A.电极A为负极，故A的电势比电极B的低，故A正确；

B.由图示可知，固体电解质中存在氧离子而不是氢氧根，电极A的电极反应式为：

N2H4－4e－+2O2-=N2+2H2O，故B错误；

C.电极B为正极，氧气得电子生成阳离子，发生还原反应，故C错误；

D.没有说明是否在标准状况下，所以11.2L的O2，转移的电子数不能确定，故D错误。

故选A。

【点睛】

在书写电极反应时，要注意电解质的酸碱性及离子的存在形式；在有关物质的量的计算时，涉及到气体体积时，要注意是否为标准状态。

5．B

【解析】

【分析】

燃料电池中，加入燃料的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极，所以a是负极、b是正极，电解质为熔融氧化物，则负极反应式为C-4e-+2O2-=CO2、正极反应式为O2+4e-=2O2-，电池反应式为C+O2＝CO2。

【详解】

A．通过以上分析知，a是负极、b是正极，A错误；

B．电子从负极a沿导线流向正极b，B正确；

C．燃料电池反应式与燃料燃烧方程式相同，所以电池反应式为C+O2＝CO2，C错误；

D．煤燃料电池能将化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电时先转化为热能再转化为电能，所以煤燃料电池比煤直接燃烧发电能量利用率高，D错误；

答案选B。

6．B

【解析】

【分析】

【详解】

A．通入氢气的一极为负极，发生氧化反应，选项A错误；

B．氮气在正极获得电子，电极反应式为N2+6e-+8H+═2NH4+，选项B正确；

C.放电时溶液中阴离子Cl－移向电源负极，选项C错误；

D．通入氢气的一极为负极，电极方程式为H2-2e-=2H+，pH减小，选项D错误；

答案选B。

【点睛】

本题考查原电池知识，侧重于学生的分析能力的考查，注意从元素化合价的角度判断氧化还原反应，确定正负极反应，为解答该题的关键，以N2、H2为电极反应物，以HCl-NH4Cl溶液为电解质溶液制造新型燃料电池，正极发生还原反应，氮气在正极获得电子，酸性条件下生成NH4+，该电池的正极电极反应式为：

N2+8H++6e-=2NH4+，通入氢气的一极为负极，电极方程式为H2-2e-=2H+，总方程式为2N2+6H2+4H+=4NH4+，以此解答该题。

7．C

【解析】

【分析】

该装置为原电池，（CH2O）n→CO2，碳元素化合价升高，发生氧化反应：

（CH2O）n-4ne-+nH2O=nCO2+4nH+，为原电池的负极；MnO2→Mn2+，锰元素化合价降低，发生还原反应：

MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O,为原电池的正极；据以上分析解答。

【详解】

该装置为原电池，（CH2O）n→CO2，碳元素化合价升高，发生氧化反应：

（CH2O）n-4ne-+nH2O=nCO2+4nH+，为原电池的负极；MnO2→Mn2+，锰元素化合价降低，发生还原反应：

MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O,为原电池的正极；

A.放电过程为原电池，负极反应：

（CH2O）n-4ne-+nH2O=nCO2+4nH+，正极反应：

2MnO2+4e-+8H+=2Mn2++4H2O,根据两极反应可知，氢离子在正极消耗的多，氢离子浓度减小，溶液的pH升高，故A错误；

B.根据负极（CH2O）n-4ne-+nH2O=nCO2+4nH+反应可知，22gCO2物质的量为0.5mol，转移电子的物质的量为2mol，理论上迁移质子的物质的量为2mol，故B错误；

C.22gCO2物质的量为0.5mol，转移电子的物质的量为2mol，膜左侧发生反应：

MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O,转移2mol电子，溶解MnO2的质量为87g，同时，有2mol氢离子通过交换膜移向该极，所以溶液的质量变化为：

87+2=89g，故C正确；

D.原电池中电子由负极经导线流向正极，该原电池中MnO2为正极，所以电子在外电路中流动方向为从b到a，故D错误；

综上所述，本题选C。

【点睛】

针对选项C，根据原电池正极反应MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O可知，当反应转移电子为2mol时，溶液的质量增加1molMnO2的质量，即87g，这时，最容易忽略还有通过阳离子交换膜转移过来的2mol氢离子的质量，所以左侧溶液质量变化为89g，而非87g。

8．C

【解析】

【详解】

A．由题甲电极上发生如下反应：

CO（NH2）2+H2O-6e-=CO2+N2+6H+，甲电极是燃料电池的负极，A错误；

B．甲电极上发生如下反应：

CO（NH2）2+H2O-6e-=CO2+N2+6H+，该原电池是酸性电解质，电解质溶液不可以是KOH溶液，B错误；

C．原电池中阳离子向正极移动，则电池工作时

从甲电极

负极

附近向乙电极

正极

附近迁移，C正确；

D．电池的总反应式为：

，每

理论上可净化

，

理论上可净化

，D错误。

答案选C。

9．A

【解析】

【详解】

A.惰性电解饱和食盐水时，阳极是Cl－失去电子，其电极反应为2Cl－−2e－＝Cl2↑，故A正确；

B.氢氧燃料电池的正极电极反应为O2+2H2O+4e－＝4OH－，不清楚是氢氧燃料碱性电池还是酸性电池，故B错误；

C.粗铜精炼时，与电源正极相连的是粗铜，电极反应主要为Cu−2e－＝Cu2+，故C错误；

D.钢铁发生吸氧腐蚀时，铁作负极被氧化：

Fe−2e－＝Fe2+，故D错误。

综上所述，答案为A。

【点睛】

电解精炼铜，粗铜作阳极，纯铜作阴极，电解液为铜离子盐溶液；吸氧腐蚀中铁失去电子变为亚铁离子。

10．C

【解析】

【详解】

A．氢氧燃料电池放电时，化学能不可能全部转化为电能，部分转化为热能，故A错误；

B．工业上合成氨需要在高温下进行，该反应为放热反应，故B错误；

C．由于SO2与O2的反应属于可逆反应，则2molSO2与1molO2混合反应不能完全生成SO3，则生成的SO3的物质的量一定小于2mol，故C正确；

D．由分子组成的物质不一定含有共价键，如稀有气体是单原子分子，不含化学键，故D错误；

答案选C。

【点睛】

反应吸热或放热，与反应条件无关，需要加热不代表反应就是吸热反应。

11．H2+2OH--2e-=2H2O增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数,加速电极反应速率2Cu2++2H2O

2Cu+O2↑+4H+2Cl—2e-=Cl2↑氯化氢NO2+NO3—-e-=N2O54:

1

【解析】

【分析】

（Ⅰ）

（1）燃料电池中，通入燃料的电极是负极；

（2）根据“电池电极表面镀一层细小的铂粉，吸附气体的能力强，性质稳定”来回答；

（Ⅱ）

（1）惰性电极电解CuSO4溶液，根据电极反应和放电顺序写出总反应方程式；

（2）惰性电极电解NaCl溶液生成氢氧化钠、氯气和氢气，若想恢复电解前状况，电解过程中出什么加什么；

（Ⅲ）根据通入气体判断两极，电极反应式和电池反应式，根据电池总反应4NO2+O2=2N2O5计算。

【详解】

（Ⅰ）

（1）燃料电池中，通入燃料氢气的电极是负极，发生电极反应：

，故答案为：

；

（2）根据题目信息：

“电池电极表面镀一层细小的铂粉，吸附气体的能力强，性质稳定”，可知电极表面镀铂粉的原因为增大气体的吸附面积，保证气体充分参与电极反应，

故答案为：

增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加速电极反应速率；

（Ⅱ）

（1）惰性电极电解CuSO4溶液，阳极是氢氧根离子失电子发生氧化反应，电极反应为：

，阴极电极反应为：

，总反应方程式为：

，

故答案为：

；

（2）惰性电极电解NaCl溶液生成氢氧化钠、氯气和氢气，反应的离子方程式为：

，阳极反应式：

，若想恢复电解前状况，电解过程放出氢气和氯气，所以加入氯化氢恢复溶液浓度，

故答案为：

；氯化氢；

（Ⅲ）

（1）据题意，通O2一极为正极，电极反应式为

；通NO2一极为负极，电极反应为：

，

故答案为：

；

（2）通O2一极为正极，电极反应式为

；通NO2一极为负极，电极反应为：

，得到电池总反应

，相同条件下，放电过程中消耗的NO2和O2的体积比为4:

1，

故答案为：

4:

1。

12．太阳能（光能）转化为化学能无污染H2-2e-+2OH-=2H2OO2+4e-+4H+=2H2O

【解析】

【分析】

（1）根据反应前后的能量存在形式分析判断；

（2）根据产生氢气的原料、氢气燃烧产物的性质分析其优点；在氢氧燃料电池中，通入燃料氢气的电极为负极，失去电子，发生氧化反应；正极上，氧气得到电子，发生还原反应，结合电解质溶液的酸碱性书写电极反应式；

（3）根据盖斯定律及反应自发进行的判断依据分析；

（4）金属氢化物电离产生的阳离子、阴离子分别与水电离产生阴离子、阳离子结合，产生新化合物，据此书写反应方程式。

【详解】

（1）利用太阳能可以直接分解水制氢，在太阳光照射下发生化学反应水分解产生氢气和氧气，可见物质变化的同时，能量由太阳能转化为化学能储存在物质内；

（2）氢气燃烧放出大量的热，燃烧产物水不会造成环境污染，而且制取氢气的原料是水，原料丰富、易得；在氢氧燃料电池中，通入燃料氢气的电极为负极，失去电子，发生氧化反应，若溶液为碱性，H2失去电子产生的H+与碱性溶液中OH-结合形成H2O，所以负极的电极反应式为：

H2-2e-+2OH-=2H2O；在正极上，氧气得到电子，与酸性溶液中的H+结合形成H2O，正极的电极反应式为：

O2+4e-+4H+=2H2O；

（3）I.H2（g）+A（l）=B（l）△H1II.O2（g）+B（l）=A（l）+H2O2（l）△H2，根据盖斯定律，将I+II，整理可得H2（g）+O2（g）=H2O2（l），△H=△H1+△H2，由于两个反应均自发进行，△H1<0，△H2<0，每个反应都是熵减的反应，则根据体系自由能公式△G=△H-T△S<0，可知△H=△H1+△H2<0；

（4）MgH2电离产生的Mg2+与水电离产生的OH-结合形成Mg（OH）2，MgH2电离产生的H+结合水电离产生的OH-结合形成H2，反应方程式为：

MgH2+2H2O=Mg（OH）2+2H2↑。

【点睛】

本题考查了有关氢气的知识。

氢气作为能源具有原料丰富、无污染环保、比热量大的优点，若将其设计为原电池，能量利用率会大大提高，电解质溶液的酸碱性不同，电极反应式不变，但总反应方程式不变，其缺点是不容易获得使水分解的廉价能源，且H2是气体，不易保存、运输，若将其转化为固体形式，获得使其在室温下分解的催化剂，前景非常广泛。