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    化学备考学案

    31种解题方法让你考试无忧（23）

    燃料电池

    燃料电池两电极都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气，电极反应式的书写有难度。

    ●难点磁场

    请试做下列题目，然后自我界定学习本篇是否需要。

    熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：

    负极反应式：2CO＋2CO4CO2＋4e－

    正极反应式：                            。

    总电池反应式：                          。

    ●案例探究

    [例题]某原电池中盛有KOH浓溶液，若分别向________(填“正”或“负”，下同)极通入可燃性气体，向________极通入O2，则电路中就有电流通过，试完成下列问题：

     

     

    可燃性

    气体

    正极反应

    负极反应

    电池总反应

    pH变化

    (1)

    H2

     

     

     

     

    (2)

    H2S

     

     

     

    (3)

    CO

     

     

     

    (4)

    CH4

     

     

     

    (5)

    C2H4

     

     

     

    (6)

    C2H2

     

     

     

    命题意图：考查学生书写燃料电池电极反应的能力。

    知识依托：原电池原理和氧化还原反应原理。

    错解分析：忽视电解质溶液是KOH溶液，误以为负极能放出酸性气体。

    解题思路：燃料电池中，负极通入的气体具有可燃性，在反应中失去电子，被氧化到较高价态：氢元素将被氧化到最高价：＋1价，在碱性溶液中产物不是H＋，而是H2O――H＋与OH－结合的产物。

    H2S中硫元素，含碳物质中的碳元素将被氧化到＋4价，而＋4价的硫(或＋4价的碳)又不能单独存在，在其常见形式SO2和SO (或CO2和CO)中，因周围环境显碱性生成酸性氧化物是不可能的，产物应为SO (或CO)，O2－由谁来提供？显然是OH－，提供O2－后裸离的H＋怎么办？与别的OH－结合生成H2O。若燃料中含有＋1价的氢元素，则它反应前后的价态不变(都是＋1价)，氢元素反应前在含碳燃料中，反应后在生成物水中。负极电极反应式可根据电荷守恒而配平。

    燃料电池中，正极通入的O2得电子被还原，成为O2－。

    O2－4e－====2O2－

    O2－被H2O分子俘获变为OH－：

    H2O＋O2－====2OH－

    将正、负两极电极反应式叠加，可得电池总反应。根据电池总反应可判定电解质溶液pH的变化。

    答案：

     

    正极反应

    负极反应

    电池总反应

    pH变化

    (1)

    O2＋4e－＋2H2O====4OH－

    H2－2e－＋2OH－====2H2O

    2H2＋O2====2H2O

    变小

    (2)

    H2S－6e－＋8OH－====SO＋5H2O

    2H2S＋3O2＋4OH－====2SO＋4H2O

    变小

    (3)

    CO－2e－＋4OH－====CO＋2H2O

    2CO＋O2＋4OH－====2CO＋2H2O

    变小

    (4)

    CH4－8e－＋10OH－====CO＋7H2O

    CH4＋2O2＋2OH－====CO＋3H2O

    变小

    (5)

    C2H4－12e－＋16OH－====2CO＋10H2O

    C2H4＋3O2＋4OH－=====2CO＋4H2O

    变小

    (6)

    C2H2－10e－＋14OH－====2CO＋8H2O

    2C2H2＋5O2＋8OH－====4CO＋6H2O

    变小

    ●锦囊妙计

    燃料电池的负极反应，一般较难写出，而正极反应和电池总反应却较易写出。用电池总反应减去正极反应可得负极反应，这是写负极反应式的一种巧妙方法。

    ●歼灭难点训练

    1.(★★★)将例题中的惰性电极改为Al电极和Mg电极，并停止通气体，则：

    (1)正极反应为：                  ；

    (2)负极反应为：                  ；

    (3)电极总反应式为：________；电解质溶液的pH变化为：________(填“增大”“不变”或“变小”)。

    2.(★★★★)将例题中的“KOH(aq)”改为：稀H2SO4，其他同例题，试回答前(4)问。

    3.(★★★★)将Al、Fe两电极分别插入盛有稀HNO3的电解质溶液中组成原电池，试回答1题中三个问题。

    4.(★★★★★)将Al、Cu两电极分别插入盛有18.4 mol?L－1的H2SO4(aq)中组成原电池，试回答1中三问。

    难点磁场

    提示：原电池中，正极上富余电子，通入正极上的O2得到电子：

    O2＋4e－====2O2－

    O2－半径很小，在熔盐中不能单独存在，被CO2分子俘获：

    CO2＋O2－====CO

    将正、负两极上的电极反应式叠加，可得总反应方程式。

    答案：O2＋2CO2＋4e－====2CO

    2CO＋O2====2CO2

    歼灭难点训练

    1.提示：碱性溶液中，Al比Mg活泼，负极上Al失去电子。正极上H2O得电子，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↑      变小

    2.提示：负极上，H2、H2S、CO、CH4失电子，分别生成H＋、H＋和SO2、CO2、H＋和CO2，产物中O原子由H2O提供。正极上，O2得电子变为O2－，O2－与H＋结合生成H2O。

    如果有水生成，溶液的浓度和pH都会发生变化。

    答案：

     

    正极反应

    负极反应

    电池总反应

    pH变化

    (1)

    O2＋4e－＋4H+====2H2O

    H2－2e－===2H+

    2H2＋O2====2H2O

    变大

    (2)

    H2S－6e－＋2H2O====

    SO2↑＋6H+

    2H2S＋3O2====2SO↑＋2H2O

    变大

    (3)

    CO－2e－＋H2O====

    CO2↑＋2H+

    2CO＋O2====CO2↑

    不变

    (4)

    CH4－8e－＋2H2O====

    CO2↑＋8H+

    CH4＋2O2====CO2↑＋2H2O

    变大

    3.提示：活泼金属Al失电子变成Al3＋，电子由负极流向正极，正极上NO (而非H＋)得电子变成NO逸出，同时有H＋参加反应，与NO的另外2个－2价的O原子结合成H2O分子。

    答案：(1)4H＋＋NO＋3e－====2H2O＋NO↑

    (2)Al－3e－====Al3＋

    (3)Al＋4H＋＋2NO====Al3＋＋2H2O＋NO↑     变大

    4.解析：活泼金属Al在浓硫酸中钝化，Cu作负极失去电子成为Cu2＋，电子流向正极，正极上溶液中的H2SO4分子得到电子变为H2O和SO2。由于纯硫酸的电离度大于纯水的电离度。而在水参加的电极反应式中，H2O分子可拆为H＋和OH－，所以浓硫酸参加的电极反应式中，H2SO4分子可拆成H＋和SO；而依照离子方程式的写法，可知在电池反应中H2SO4分子不能拆分为离子。

    因为电池反应中，H2SO4被消耗，且有H2O生成，所以H2SO4逐渐变稀，c(H＋)逐渐变大，pH逐渐变小，直至浓H2SO4变成稀H2SO4，Cu与稀H2SO4不再发生反应。但这时Al与稀H2SO4发生反应，负极上Al失电子变为Al3＋，正极上H＋得电子变为H2。稀H2SO4被消耗，c(H＋)变小，pH变大。

    答案：(1)开始：4H＋＋SO＋2e－====2H2O＋SO2↑，后来：2H＋＋2e－====H2↑

    (2)开始：Cu－2e－====Cu2＋，后来：Al－3e－====Al3＋

    (3)开始：Cu＋2H2SO4(浓)====CuSO4＋2H2O＋SO2↑，后来：2Al＋3H2SO4(稀)====

    Al2(SO4)3＋3H2↑ 先变小后变大

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