資源簡介

實驗課
第四章 化學反應(yīng)與電能
第13課時 制作簡單的燃料電池
【實驗?zāi)康摹?br/>1．理解燃料電池的工作原理。 2．設(shè)計和制作一個氫氧燃料電池。
【實驗活動】
實驗任務(wù)
【實驗用品】 U形管、石墨棒(石墨棒使用前應(yīng)該經(jīng)過烘干活化處理)、3～6 V的直流電源、鱷魚夾、導(dǎo)線和開關(guān)、電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)。 1 mol·L－1 Na2SO4溶液、酚酞溶液。 【實驗步驟】 1．電解水。 在U形管中注入1 mol·L－1 Na2SO4溶液，然后向其中滴入1～2滴酚酞溶液。在U形管的兩邊分別插入一根石墨棒，并用鱷魚夾、導(dǎo)線連接電源。閉合K1，接通直流電源開始電解。 現(xiàn)象：兩極石墨棒均產(chǎn)生氣泡，右側(cè)石墨棒附近溶液變紅。 2．制作一個氫氧燃料電池。 當上述電解過程進行1～2 min后，打開K1，斷開直流電源。將兩根石墨棒用導(dǎo)線分別與電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)相連，閉合K2。 現(xiàn)象：電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 【問題和討論】 1.列表比較氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理。 氫氧燃料電池電解水能量化學能→電能電能→化學能裝置電極 反應(yīng)式負極：2H2－4e－===4H＋ 正極：O2＋4e－＋4H＋===2H2O 總反應(yīng)式：2H2＋O2===2H2O陽極：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 陰極：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－ 總反應(yīng)式：2H2O2H2↑＋O2↑電子流向負極→正極負極→陰極，陽極→正極離子流向陽離子→正極，陰離子→負極陽離子→陰極，陰離子→陽極反應(yīng)類型自發(fā)的氧化還原反應(yīng)非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)
2.該實驗裝置中加入1 mol/L Na2SO4溶液的作用是什么 圖示裝置中石墨Ⅱ能否換成鋅片作電極 參考答案:Na2SO4溶液能增強溶液的導(dǎo)電性;將石墨Ⅱ換成鋅片,電解水時無影響,但作燃料電池時,Zn作負極,O2在正極發(fā)生還原反應(yīng),此時構(gòu)成的是Zn—O2燃料電池,并非氫氧燃料電池。 3.若該裝置中將Na2SO4溶液換成KOH溶液或H2SO4溶液,氫氧燃料電池電極反應(yīng)式如何書寫 KOH溶液H2SO4溶液負極2H2-4e-+4OH-4H2O2H2-4e-4H+正極O2+2H2O+4e-4OH-O2+4H++4e-2H2O
【針對訓練1】如圖為以Pt為電極的氫氧燃料電池的工作原理示意圖,稀H2SO4為電解質(zhì)溶液。下列有關(guān)說法不正確的是(　 　) A.a極為負極,電子由a極經(jīng)外電路流向b極 B.a極的電極反應(yīng)式:H2-2e-2H+ C.電池工作一段時間后,裝置中c(H2SO4)增大 D.若將H2改為CH4,消耗等物質(zhì)的量的CH4時,O2的用量增多 答案:C 解析:結(jié)合圖示可知H2在負極a上發(fā)生氧化反應(yīng)生成H+,通入O2的電極為正極,電子由a極流向b極,A項、B項均正確;該電池總反應(yīng)為2H2+O22H2O,電池工作一段時間后,裝置中c(H2SO4)減小,C項不正確;1 mol H2或CH4分別消耗0.5 mol和2 mol O2,若將H2改為等物質(zhì)的量CH4,消耗O2增多,D項正確。 【針對訓練2】關(guān)于電解水的實驗說法正確的是(　 　) A.為了增加水的導(dǎo)電能力,可以加入氯化鈉固體 B.電解水陽極生成氧氣,電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑ C.陰極區(qū)溶液的pH不斷減小 D.在兩極滴加酚酞,與電源正極相連的一極顯紅色 答案:B 解析:A項,電解氯化鈉溶液會生成氯氣;C項,陰極區(qū):2H2O+2e-2OH-+H2↑,pH不斷增大;D項,與正極相連的為陽極,生成H+,不顯紅色。 【針對訓練3】如圖所示是一種以液態(tài)肼(N2H4)為燃料,氧氣為氧化劑,某固體氧化物為電解質(zhì)的新型燃料電池。該固體氧化物電解質(zhì)的工作溫度高達700～900 ℃時,O2-可在該固體氧化物電解質(zhì)中自由移動,反應(yīng)生成物均為無毒、無害的物質(zhì)。下列說法正確的是(　 　) A.電池內(nèi)的O2-由電極甲移向電極乙 B.電池總反應(yīng)為N2H4+2O22NO+2H2O C.當甲電極上有1 mol N2H4消耗時,標準狀況下乙電極上有22.4 L O2參與反應(yīng) D.電池外電路的電子由電極乙移向電極甲 答案:C 解析:結(jié)合圖示可知電極甲和乙分別為負極和正極,電池中陰離子向負極移動,即O2-由電極乙移向電極甲,A項錯誤;反應(yīng)生成物均為無毒、無害的物質(zhì),電池總反應(yīng)為N2H4+O2N2+2H2O,B項錯誤;結(jié)合總反應(yīng)可知電極甲上消耗1 mol N2H4時,乙電極上有1 mol O2被還原,即標準狀況下乙電極上有22.4 L O2參與反應(yīng),C項正確;外電路的電子從負極流向正極,即由電極甲移向電極乙,D項錯誤。 【針對訓練4】科學家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池,其效率更高,可用于航天航空。如圖1所示裝置中,以稀土金屬材料作惰性電極,在電極上分別通入甲烷和空氣,其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2固體,它在高溫下能傳導(dǎo)O2－(O2+4e－2O2－)。 (1)c電極的名稱為　　 ,d電極上的電極反應(yīng)式為　　　　　　　　　　　　　。 (2)如圖2所示用惰性電極電解100 mL 0.5 mol·L-1硫酸銅溶液,a電極上的電極反應(yīng)式為　　　　　　,若a電極產(chǎn)生56 mL(標準狀況)氣體,則所得溶液的pH=　　　　(不考慮溶液體積變化),若要使電解質(zhì)溶液恢復(fù)到電解前的狀態(tài),可加入　　　　(填字母)。 a.CuO b.Cu(OH)2 c.CuCO3 d.Cu2(OH)2CO3 參考答案:(1)正極　CH4+4O2－-8e－===CO2+2H2O (2)4OH－-4e－===2H2O+O2↑　1　ac 解析:(1)原電池中電流的方向是從正極流向負極,故c電極為正極;d電極為負極,通入的氣體為甲烷,d電極反應(yīng)式為CH4+4-8e－===CO2+2H2O。解析:(2)用惰性電極電解CuSO4溶液時,陽極(a電極)反應(yīng)式:4OH--4e－===2H2O+O2↑;陰極反應(yīng)式:2Cu2++4e－===2Cu,n(O2)==2.5×10-3 mol。轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2.5×10-3 mol×4=0.01 mol,溶液中c(H+)==0.1 mol·L-1,pH=-lg 0.1=1。加入CuO或CuCO3(與溶液中的H+反應(yīng)),可使電解質(zhì)溶液恢復(fù)到電解前的狀態(tài)。 【針對訓練5】(1)如圖是甲烷燃料電池原理示意圖,回答下列問題: ①電池的負極是　　　(填“a”或“b”)電極,該極的電極反應(yīng)式為　。 ②電池工作一段時間后電解質(zhì)溶液的pH　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。 (2)熔融鹽燃料電池具有很高的發(fā)電效率,因而受到重視?？捎肔i2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì),CO為負極燃氣,空氣與CO2的混合氣為正極助燃氣,制得在650 ℃下工作的燃料電池。請完成有關(guān)的電池反應(yīng)式。 負極反應(yīng)式:2CO+2C-4e-4CO2; 正極反應(yīng)式:　 ; 電池總反應(yīng)式:　 。 參考答案:(1)①a　CH4+10OH--8e-C+7H2O?、跍p小 (2)O2+2CO2+4e-2C　2CO+O22CO2 解析:(1)①根據(jù)總反應(yīng)式CH4+2OH-+2O2C+3H2O,CH4在負極發(fā)生氧化反應(yīng),即a電極是電池的負極,電極反應(yīng)式是CH4+10OH--8e-C+7H2O。②電池工作過程中會消耗OH-,即一段時間后,電解質(zhì)溶液的pH會減小。 (2)用CO作燃料,熔融鹽燃料電池的總反應(yīng)為2CO+O22CO2;根據(jù)總反應(yīng)式和負極反應(yīng)式可推知正極反應(yīng)式為O2+2CO2+4e-2C。
2實驗課
第四章 化學反應(yīng)與電能
第13課時 制作簡單的燃料電池
【實驗?zāi)康摹?br/>1．理解燃料電池的工作原理。 2．設(shè)計和制作一個氫氧燃料電池。
【實驗活動】
實驗任務(wù)
【實驗用品】 U形管、石墨棒(石墨棒使用前應(yīng)該經(jīng)過烘干活化處理)、3～6 V的直流電源、鱷魚夾、導(dǎo)線和開關(guān)、電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)。 1 mol·L－1 Na2SO4溶液、酚酞溶液。 【實驗步驟】 1．電解水。 在U形管中注入1 mol·L－1 Na2SO4溶液，然后向其中滴入1～2滴酚酞溶液。在U形管的兩邊分別插入一根石墨棒，并用鱷魚夾、導(dǎo)線連接電源。閉合K1，接通直流電源開始電解。 現(xiàn)象： 2．制作一個氫氧燃料電池。 當上述電解過程進行1～2 min后，打開K1，斷開直流電源。將兩根石墨棒用導(dǎo)線分別與電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)相連，閉合K2。 現(xiàn)象： 【問題和討論】 1.列表比較氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理。 氫氧燃料電池電解水能量裝置電極 反應(yīng)式電子流向離子流向反應(yīng)類型
2.該實驗裝置中加入1 mol/L Na2SO4溶液的作用是什么 圖示裝置中石墨Ⅱ能否換成鋅片作電極 3.若該裝置中將Na2SO4溶液換成KOH溶液或H2SO4溶液,氫氧燃料電池電極反應(yīng)式如何書寫 KOH溶液H2SO4溶液負極正極
【針對訓練1】如圖為以Pt為電極的氫氧燃料電池的工作原理示意圖,稀H2SO4為電解質(zhì)溶液。下列有關(guān)說法不正確的是(　 　) A.a極為負極,電子由a極經(jīng)外電路流向b極 B.a極的電極反應(yīng)式:H2-2e-2H+ C.電池工作一段時間后,裝置中c(H2SO4)增大 D.若將H2改為CH4,消耗等物質(zhì)的量的CH4時,O2的用量增多 【針對訓練2】關(guān)于電解水的實驗說法正確的是(　 　) A.為了增加水的導(dǎo)電能力,可以加入氯化鈉固體 B.電解水陽極生成氧氣,電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑ C.陰極區(qū)溶液的pH不斷減小 D.在兩極滴加酚酞,與電源正極相連的一極顯紅色 【針對訓練3】如圖所示是一種以液態(tài)肼(N2H4)為燃料,氧氣為氧化劑,某固體氧化物為電解質(zhì)的新型燃料電池。該固體氧化物電解質(zhì)的工作溫度高達700～900 ℃時,O2-可在該固體氧化物電解質(zhì)中自由移動,反應(yīng)生成物均為無毒、無害的物質(zhì)。下列說法正確的是(　 　) A.電池內(nèi)的O2-由電極甲移向電極乙 B.電池總反應(yīng)為N2H4+2O22NO+2H2O C.當甲電極上有1 mol N2H4消耗時,標準狀況下乙電極上有22.4 L O2參與反應(yīng) D.電池外電路的電子由電極乙移向電極甲 【針對訓練4】科學家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池,其效率更高,可用于航天航空。如圖1所示裝置中,以稀土金屬材料作惰性電極,在電極上分別通入甲烷和空氣,其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2固體,它在高溫下能傳導(dǎo)O2－(O2+4e－2O2－)。 (1)c電極的名稱為　　 ,d電極上的電極反應(yīng)式為　　　　　　　　　　　　　。 (2)如圖2所示用惰性電極電解100 mL 0.5 mol·L-1硫酸銅溶液,a電極上的電極反應(yīng)式為　　　　　　,若a電極產(chǎn)生56 mL(標準狀況)氣體,則所得溶液的pH=　　　　(不考慮溶液體積變化),若要使電解質(zhì)溶液恢復(fù)到電解前的狀態(tài),可加入　　　　(填字母)。 a.CuO b.Cu(OH)2 c.CuCO3 d.Cu2(OH)2CO3 【針對訓練5】(1)如圖是甲烷燃料電池原理示意圖,回答下列問題: ①電池的負極是　　　(填“a”或“b”)電極,該極的電極反應(yīng)式為　。 ②電池工作一段時間后電解質(zhì)溶液的pH　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。 (2)熔融鹽燃料電池具有很高的發(fā)電效率,因而受到重視?？捎肔i2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì),CO為負極燃氣,空氣與CO2的混合氣為正極助燃氣,制得在650 ℃下工作的燃料電池。請完成有關(guān)的電池反應(yīng)式。 負極反應(yīng)式:2CO+2C-4e-4CO2; 正極反應(yīng)式:　 ; 電池總反應(yīng)式:　 。
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