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草榴 新时代的我们:例析高考化学中的燃料电池

时间:2018-11-24来源:大力神电池点击:
[摘要]高考中有关燃料电池的试题不断推陈出新,备受命题者的青睐。高考中常见燃料电池的类型有氢燃料电池、烃燃料电池、醇燃料电池、金属—空气燃料电池等。只要掌握各类型燃
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[摘要]高考中有关燃料电池的试题不断推陈出新,备受命题者的青睐。高考中常见燃料电池的类型有氢燃料电池、烃燃料电池、醇燃料电池、金属—空气燃料电池等。只要掌握各类型燃料电池题型的解题技巧,该类题型便可迎刃而解。

[关键词]燃料电池;电极反应;高考化学

[中图分类号]G633.8[文献标识码]A[文章编号]16746058(2018)05005803

燃料电池是现代社会具有发展前景的新能源。传统的能源利用方式有两大弊端:一是利用率低;二是会产生大量的废气、废水、废渣、废热和噪声污染。燃料电池能高效利用能源且污染小,是社会和科技发展的产物。高考化学中有关燃料电池的试题不仅出现频率高,而且题型不断推陈出新,备受命题者的青睐。

一、燃料电池的概念、组成及工作原理

燃料电池是一种能够持续通过发生在负极和正极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池由负极、正极和离子导电的电解质构成,电极材料一般不参加反应,只起传递电子和反应催化剂的作用。其工作原理与普通电化学电池类似,燃料(H2、CH4、CO等)在负极氧化,氧化剂(O2、空气等)在正极还原,电子从负极通过负载流向正极构成回路,产生电流。电解质中的阴离子移向负极,阳离子移向正极。

二、 高考化学燃料电池的常见类型

燃料电池有多种分类方法,可以按电解质的种类不同分类,或按燃料电池的工作温度分类,或按燃料类型的不同分类等。下面就高考中常见的按燃料类型分类的燃料电池做如下介绍。

1. 氢燃料电池

氢燃料电池是使用氢这种化學元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,却把氢气和氧气分别供给负极和正极,氢气在负极被氧化失去电子,放出的电子通过外部的负载到达正极;在正极氧气得到电子被还原;正、负极生成的离子与电解质发生反应。

【例1】(2010年安徽理综,11)某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构如图1所示,电池总反应可表示为:2H2 + O2 =2H2O,下列有关说法正确的是( )。

A.电子通过外电路从b极流向a极

B.b极上的电极反应式为:O2 + 2H2O + 4e-=4OH-

C.每转移0.1mol电子,消耗1.12L的H2

D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极

【解题技巧】氢氧燃料电池总反应式在各种类型的介质中不变,为2H2 + O2 = 2H2O,负极是通氢气的一极,正负极产生、消耗的离子种类和数量相同(得失电子相同)。

【解析】由图可知,H2(还原剂)在负极失电子,O2(氧化剂)在正极得电子,因此a 为负极,b为正极。电子从负极(a)经外电路流向正极(b),A错误;因为这是酸性电解质,不可能生成OH-,b极反应式为:O2 +4H+ + 4e-=2H2O,B错误;C项叙述气体体积时,没有指明温度和压强,错误;原电池中阳离子向正极移动,D正确。

【答案】D。

2.烃燃料电池

烃燃料电池是以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料

电池。利用原电池装置使烃类燃料和氧气分别在电池的负极、正极上发生氧化、还原反应而产生电能,其效率高、污染低,是一种很有前途的能源利用方式。

【例2】(2005年广东单科高考,15)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-。下列对该燃料电池说法正确的是()。

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+10H2O

C.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+5H2O

【解题技巧】烃氧燃料电池在碱性电解质溶液中,负极消耗的OH-比正极产生的多,电池总反应式与燃烧反应式不同;其他介质中,正负极产生、消耗离子的种类和数量相同(得失电子相同),电池总反应式与燃烧反应式相同。

【解析】丁烷在空气中燃烧的反应式是:2C4H10+13O2→8CO2+10H2O,在熔融电解质中,氧化物能传导O2-,正极反应式为:O2+4e-=2O2-,负极反应式为:C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O,所以O2-由正极移向负极,A错误,B、C正确;通丁烷的一极是负极,D错误。

【答案】B、C。

3.醇燃料电池

醇燃料电池是以甲醇为代表的可再生能源电池,以醇为燃料,以空气或氧气为氧化剂的化学能直接转化为电能的一种发电装置,在酸性条件下,生成CO2和H2O。

【例3】(2008年宁夏理综,10)一种燃料电池中发生的化学反应为:在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是()。

A.CH3OH(g)+O2(g)=H2O(l)+CO2(g)+2H+(aq)+2e-

B.O2(g)+4H+(aq)+4e-=2H2O(l)

C.CH3OH(g)+H2O(l)=CO2(g)+6H+(aq)+6e-

D.O2(g)+2H2O(l)+4e-=4OH-

【解题技巧】与烃燃料电池基本相同。

【解析】甲醇的燃烧反应式为:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O,在该反应中甲醇为还原剂,在负极发生氧化反应,氧气为氧化剂,在正极发生还原反应。因此B和D可以排除。又因为O2在正极参加还原反应,不会在电池的负极参加反应,故A错误,通过排除法就可以得出正确选项是C。

【答案】C。

4.金属-空气燃料电池

金属—空气燃料电池是以金属为负极燃料,空气为正极氧化剂的发电装置。特点是:能量密度高、电流与功率大、不受时间和空间的限制、对环境影响小,应用前景被广泛看好。

【例4】(2016年浙江高考,11)金属(M)-空气电池(如图2)具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为:4M+nO2+2nH2O=4M(OH)n。已知:电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是()。

A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,并有利于氧气扩散至

电极表面

B.比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池,Al-空气电池的理论比能量最高

C.M-空气电池放电过程的正极反应式:4Mn++nO2+2nH2O+4ne-=4M(OH)n

D.在M-空气电池中,为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用中性电解质及阳离子

交换膜

【解题技巧】由电池总反应式可看出,介质可能是中性或堿性,负极金属M-ne-=Mn+,具体以什么形式存在,要看离子种类和介质。

【解析】多孔电极可以增加氧气与电极的接触,使氧气充分反应,A正确;24克镁失去2摩尔电子,27克铝失去3摩尔电子,65克锌失去2摩尔电子,所以铝-空气电池的理论比能量最高,B正确;根据题给放电的总反应:4Mn++nO2+2nH2O=4M(OH)n,氧气在正极得电子,由于有阴离子交换膜,正极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH-,C错误;负极是金属失去电子生成金属阳离子,因为镁离子或铝离子或锌离子都可以和氢氧根离子反应生成氢氧化物沉淀,说明应采用中性电解质或阳离子交换膜,以防止正极产生的氢氧根到负极区反应,D正确。

【答案】C。

三、燃料电池问题的解题方略

1.燃料电池的负极一定是可燃性气体,失电子,元素化合价升高,发生氧化反应;电池的正极一定是助燃性气体,得电子,化合价降低,发生还原反应。

2.燃料电池两电极材料一般都不参加反应,反应的是通到电极上的燃料和氧气,两电极只是起传导电子和反应催化剂的作用。

3.电极反应式作为一种特殊的离子反应方程式,也必须遵循原子守恒、得失电子守恒、电荷守恒等规律。

4.写电极反应时,一定要注意电解质是什么,当电解质参与反应时,电解质溶液中的离子要和电极反应中出现的离子相对应。如氢氧燃料电池(电解溶液为KOH溶液),正极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH-,负极反应式为:2H2+4OH--4e-=4H2O。

5.当电解质溶液不参与电极反应时,燃料电池的反应方程式就是燃料燃烧的化学方程式;当电解质参与电极反应时,燃料电池的反应方程式就是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式。

6.一般来说,在电极反应式中,一极消耗电解质溶液中的某种离子,则另一极生成相应的离子,但一极消耗的离子的量和另一极生成的相应离子的量不一定相等。根据两极反应的得失电子数相等,合并两电极反应式,消去得失电子数和两边电解质溶液的离子,得出燃料电池总反应方程式,由电极反应式和总的电池反应方程式确定其中电子转移的量、产物的量、各电极周围及整个电池的pH变化情况。

四、常见燃料电池反应式的书写归纳总结

书写燃料电池电极反应式的关键点是负极的燃料被氧化、正极的氧化剂被还原后在不同介质条件下的变化。关于燃料电池反应式的书写,现根据电解质的类型

五、结语

纵观近几年全国各地的化学高考试题,燃料电池试题出现频率较高,而且类型不断发展变化,与科技新成果紧密相连,富有时代气息。试题主要考查燃料电池的电极与溶液中离子移动方向的判断;电极与电池总反应式的书写;利用电子得失守恒的原理进行有关计算等。从试题考查内容看,不仅符合新课改的方向,且很好地体现了对知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目标的考查,要求学生有扎实的基础知识、理论联系实际的能力和创造性思维。集能源、环保、科技和社会发展于一身的燃料电池是高考命题永恒的话题。

(责任编辑罗艳)

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