高三化學攻關三十六法之――燃料電池

 

燃料電池兩電極都不參加反應,反應的是通到電極上的燃料和氧氣,電極反應式的書寫有難度。

●難點磁場

請試做下列題目,然后自我界定學習本篇是否需要。

熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率,因而受到重視,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質,CO為陽極燃氣,空氣與CO2的混合氣為陰極助燃氣,制得在650 ℃下工作的燃料電池,完成有關的電池反應式:

負極反應式:2CO+2CO4CO2+4e

正極反應式:                           

總電池反應式:                          。

●案例探究

[例題]某原電池中盛有KOH濃溶液,若分別向________(填“正”或“負”,下同)極通入可燃性氣體,向________極通入O2,則電路中就有電流通過,試完成下列問題:

 

 

可燃性

氣體

正極反應

負極反應

電池總反應

pH變化

(1)

H2

 

 

 

 

(2)

H2S

 

 

 

(3)

CO

 

 

 

(4)

CH4

 

 

 

(5)

C2H4

 

 

 

(6)

C2H2

 

 

 

 

命題意圖:考查學生書寫燃料電池電極反應的能力。

知識依托:原電池原理和氧化還原反應原理。

錯解分析:忽視電解質溶液是KOH溶液,誤以為負極能放出酸性氣體。

解題思路:燃料電池中,負極通入的氣體具有可燃性,在反應中失去電子,被氧化到較高價態(tài):氫元素將被氧化到最高價:+1價,在堿性溶液中產物不是H,而是H2O――H與OH結合的產物。

H2S中硫元素,含碳物質中的碳元素將被氧化到+4價,而+4價的硫(或+4價的碳)又不能單獨存在,在其常見形式SO2和SO (或CO2和CO)中,因周圍環(huán)境顯堿性生成酸性氧化物是不可能的,產物應為SO (或CO),O2由誰來提供?顯然是OH,提供O2后裸離的H怎么辦?與別的OH結合生成H2O。若燃料中含有+1價的氫元素,則它反應前后的價態(tài)不變(都是+1價),氫元素反應前在含碳燃料中,反應后在生成物水中。負極電極反應式可根據電荷守恒而配平。

燃料電池中,正極通入的O2得電子被還原,成為O2

O2-4e====2O2

O2被H2O分子俘獲變?yōu)镺H

H2O+O2====2OH

將正、負兩極電極反應式疊加,可得電池總反應。根據電池總反應可判定電解質溶液pH的變化。

答案:

 

正極反應

負極反應

電池總反應

pH變化

(1)

O2+4e+2H2O====4OH

H2-2e+2OH====2H2O

2H2+O2====2H2O

變小

(2)

H2S-6e+8OH====SO+5H2O

2H2S+3O2+4OH====2SO+4H2O

變小

(3)

CO-2e+4OH====CO+2H2O

2CO+O2+4OH====2CO+2H2O

變小

(4)

CH4-8e+10OH====CO+7H2O

CH4+2O2+2OH====CO+3H2O

變小

(5)

C2H4-12e+16OH====2CO+10H2O

C2H4+3O2+4OH=====2CO+4H2O

變小

(6)

C2H2-10e+14OH====2CO+8H2O

2C2H2+5O2+8OH====4CO+6H2O

變小

 

●錦囊妙計

燃料電池的負極反應,一般較難寫出,而正極反應和電池總反應卻較易寫出。用電池總反應減去正極反應可得負極反應,這是寫負極反應式的一種巧妙方法。

●殲滅難點訓練

1.(★★★)將例題中的惰性電極改為Al電極和Mg電極,并停止通氣體,則:

(1)正極反應為:                  ;

(2)負極反應為:                  ;

(3)電極總反應式為:________;電解質溶液的pH變化為:________(填“增大”“不變”或“變小”)。

2.(★★★★)將例題中的“KOH(aq)”改為:稀H2SO4,其他同例題,試回答前(4)問。

 

 

 

3.(★★★★)將Al、Fe兩電極分別插入盛有稀HNO3的電解質溶液中組成原電池,試回答1題中三個問題。

 

 

 

4.(★★★★★)將Al、Cu兩電極分別插入盛有18.4 mol?L1的H2SO4(aq)中組成原電池,試回答1中三問。

 

難點磁場

提示:原電池中,正極上富余電子,通入正極上的O2得到電子:

O2+4e====2O2

O2半徑很小,在熔鹽中不能單獨存在,被CO2分子俘獲:

CO2+O2====CO

將正、負兩極上的電極反應式疊加,可得總反應方程式。

答案:O2+2CO2+4e====2CO

2CO+O2====2CO2

殲滅難點訓練

1.提示:堿性溶液中,Al比Mg活潑,負極上Al失去電子。正極上H2O得電子,逸出H2,生成OH。

答案:(1)6H2O+6e====6OH+3H2↑(或6H+6e====3H2↑)

(2)2Al-6e+8OH====2AlO+4H2O

(3)2Al+2OH+2H2O====2AlO+3H2↑      變小

2.提示:負極上,H2、H2S、CO、CH4失電子,分別生成H、H和SO2、CO2、H和CO2,產物中O原子由H2O提供。正極上,O2得電子變?yōu)镺2,O2與H結合生成H2O。

如果有水生成,溶液的濃度和pH都會發(fā)生變化。

答案:

 

正極反應

負極反應

電池總反應

pH變化

(1)

O2+4e+4H+====2H2O

H2-2e===2H+

2H2+O2====2H2O

變大

(2)

H2S-6e+2H2O====

SO2↑+6H+

2H2S+3O2====2SO↑+2H2O

變大

(3)

CO-2e+H2O====

CO2↑+2H+

2CO+O2====CO2

不變

(4)

CH4-8e+2H2O====

CO2↑+8H+

CH4+2O2====CO2↑+2H2O

變大

 

3.提示:活潑金屬Al失電子變成Al3,電子由負極流向正極,正極上NO (而非H)得電子變成NO逸出,同時有H參加反應,與NO的另外2個-2價的O原子結合成H2O分子。

答案:(1)4H+NO+3e====2H2O+NO↑

(2)Al-3e====Al3

(3)Al+4H+2NO====Al3+2H2O+NO↑  變大

4.解析:活潑金屬Al在濃硫酸中鈍化,Cu作負極失去電子成為Cu2,電子流向正極,正極上溶液中的H2SO4分子得到電子變?yōu)镠2O和SO2。由于純硫酸的電離度大于純水的電離度。而在水參加的電極反應式中,H2O分子可拆為H和OH,所以濃硫酸參加的電極反應式中,H2SO4分子可拆成H和SO;而依照離子方程式的寫法,可知在電池反應中H2SO4分子不能拆分為離子。

因為電池反應中,H2SO4被消耗,且有H2O生成,所以H2SO4逐漸變稀,c(H)逐漸變大,pH逐漸變小,直至濃H2SO4變成稀H2SO4,Cu與稀H2SO4不再發(fā)生反應。但這時Al與稀H2SO4發(fā)生反應,負極上Al失電子變?yōu)锳l3,正極上H得電子變?yōu)镠2。稀H2SO4被消耗,c(H)變小,pH變大。

答案:(1)開始:4H+SO+2e====2H2O+SO2↑,后來:2H+2e====H2

(2)開始:Cu-2e====Cu2,后來:Al-3e====Al3

(3)開始:Cu+2H2SO4(濃)====CuSO4+2H2O+SO2↑,后來:2Al+3H2SO4(稀)====

Al2(SO4)3+3H2↑ 先變小后變大

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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