实验课
第四章 化学反应与电能
第13课时 制作简单的燃料电池
【实验目的】
1．理解燃料电池的工作原理。 2．设计和制作一个氢氧燃料电池。
【实验活动】
实验任务
【实验用品】 U形管、石墨棒(石墨棒使用前应该经过烘干活化处理)、3～6 V的直流电源、鳄鱼夹、导线和开关、电流表(或发光二极管、音乐盒等)。 1 mol·L－1 Na2SO4溶液、酚酞溶液。 【实验步骤】 1．电解水。 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形管的两边分别插入一根石墨棒，并用鳄鱼夹、导线连接电源。闭合K1，接通直流电源开始电解。 现象：两极石墨棒均产生气泡，右侧石墨棒附近溶液变红。 2．制作一个氢氧燃料电池。 当上述电解过程进行1～2 min后，打开K1，断开直流电源。将两根石墨棒用导线分别与电流表(或发光二极管、音乐盒等)相连，闭合K2。 现象：电流表指针发生偏转。 【问题和讨论】 1.列表比较氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理。 氢氧燃料电池电解水能量化学能→电能电能→化学能装置电极 反应式负极：2H2－4e－===4H＋ 正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O 总反应式：2H2＋O2===2H2O阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 阴极：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－ 总反应式：2H2O2H2↑＋O2↑电子流向负极→正极负极→阴极，阳极→正极离子流向阳离子→正极，阴离子→负极阳离子→阴极，阴离子→阳极反应类型自发的氧化还原反应非自发的氧化还原反应
2.该实验装置中加入1 mol/L Na2SO4溶液的作用是什么 图示装置中石墨Ⅱ能否换成锌片作电极 参考答案:Na2SO4溶液能增强溶液的导电性;将石墨Ⅱ换成锌片,电解水时无影响,但作燃料电池时,Zn作负极,O2在正极发生还原反应,此时构成的是Zn—O2燃料电池,并非氢氧燃料电池。 3.若该装置中将Na2SO4溶液换成KOH溶液或H2SO4溶液,氢氧燃料电池电极反应式如何书写 KOH溶液H2SO4溶液负极2H2-4e-+4OH-4H2O2H2-4e-4H+正极O2+2H2O+4e-4OH-O2+4H++4e-2H2O
【针对训练1】如图为以Pt为电极的氢氧燃料电池的工作原理示意图,稀H2SO4为电解质溶液。下列有关说法不正确的是( ) A.a极为负极,电子由a极经外电路流向b极 B.a极的电极反应式:H2-2e-2H+ C.电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)增大 D.若将H2改为CH4,消耗等物质的量的CH4时,O2的用量增多 答案:C 解析:结合图示可知H2在负极a上发生氧化反应生成H+,通入O2的电极为正极,电子由a极流向b极,A项、B项均正确;该电池总反应为2H2+O22H2O,电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)减小,C项不正确;1 mol H2或CH4分别消耗0.5 mol和2 mol O2,若将H2改为等物质的量CH4,消耗O2增多,D项正确。 【针对训练2】关于电解水的实验说法正确的是( ) A.为了增加水的导电能力,可以加入氯化钠固体 B.电解水阳极生成氧气,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑ C.阴极区溶液的pH不断减小 D.在两极滴加酚酞,与电源正极相连的一极显红色 答案:B 解析:A项,电解氯化钠溶液会生成氯气;C项,阴极区:2H2O+2e-2OH-+H2↑,pH不断增大;D项,与正极相连的为阳极,生成H+,不显红色。 【针对训练3】如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700～900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应生成物均为无毒、无害的物质。下列说法正确的是( ) A.电池内的O2-由电极甲移向电极乙 B.电池总反应为N2H4+2O22NO+2H2O C.当甲电极上有1 mol N2H4消耗时,标准状况下乙电极上有22.4 L O2参与反应 D.电池外电路的电子由电极乙移向电极甲 答案:C 解析:结合图示可知电极甲和乙分别为负极和正极,电池中阴离子向负极移动,即O2-由电极乙移向电极甲,A项错误;反应生成物均为无毒、无害的物质,电池总反应为N2H4+O2N2+2H2O,B项错误;结合总反应可知电极甲上消耗1 mol N2H4时,乙电极上有1 mol O2被还原,即标准状况下乙电极上有22.4 L O2参与反应,C项正确;外电路的电子从负极流向正极,即由电极甲移向电极乙,D项错误。 【针对训练4】科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池,其效率更高,可用于航天航空。如图1所示装置中,以稀土金属材料作惰性电极,在电极上分别通入甲烷和空气,其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体,它在高温下能传导O2－(O2+4e－2O2－)。 (1)c电极的名称为 ,d电极上的电极反应式为 。 (2)如图2所示用惰性电极电解100 mL 0.5 mol·L-1硫酸铜溶液,a电极上的电极反应式为 ,若a电极产生56 mL(标准状况)气体,则所得溶液的pH= (不考虑溶液体积变化),若要使电解质溶液恢复到电解前的状态,可加入 (填字母)。 a.CuO b.Cu(OH)2 c.CuCO3 d.Cu2(OH)2CO3 参考答案:(1)正极 CH4+4O2－-8e－===CO2+2H2O (2)4OH－-4e－===2H2O+O2↑ 1 ac 解析:(1)原电池中电流的方向是从正极流向负极,故c电极为正极;d电极为负极,通入的气体为甲烷,d电极反应式为CH4+4-8e－===CO2+2H2O。解析:(2)用惰性电极电解CuSO4溶液时,阳极(a电极)反应式:4OH--4e－===2H2O+O2↑;阴极反应式:2Cu2++4e－===2Cu,n(O2)==2.5×10-3 mol。转移电子的物质的量为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(与溶液中的H+反应),可使电解质溶液恢复到电解前的状态。 【针对训练5】(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图,回答下列问题: ①电池的负极是 (填“a”或“b”)电极,该极的电极反应式为 。 ②电池工作一段时间后电解质溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率,因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混合气为正极助燃气,制得在650 ℃下工作的燃料电池。请完成有关的电池反应式。 负极反应式:2CO+2C-4e-4CO2; 正极反应式: ; 电池总反应式: 。 参考答案:(1)①a CH4+10OH--8e-C+7H2O ②减小 (2)O2+2CO2+4e-2C 2CO+O22CO2 解析:(1)①根据总反应式CH4+2OH-+2O2C+3H2O,CH4在负极发生氧化反应,即a电极是电池的负极,电极反应式是CH4+10OH--8e-C+7H2O。②电池工作过程中会消耗OH-,即一段时间后,电解质溶液的pH会减小。 (2)用CO作燃料,熔融盐燃料电池的总反应为2CO+O22CO2;根据总反应式和负极反应式可推知正极反应式为O2+2CO2+4e-2C。
2实验课
第四章 化学反应与电能
第13课时 制作简单的燃料电池
【实验目的】
1．理解燃料电池的工作原理。 2．设计和制作一个氢氧燃料电池。
【实验活动】
实验任务
【实验用品】 U形管、石墨棒(石墨棒使用前应该经过烘干活化处理)、3～6 V的直流电源、鳄鱼夹、导线和开关、电流表(或发光二极管、音乐盒等)。 1 mol·L－1 Na2SO4溶液、酚酞溶液。 【实验步骤】 1．电解水。 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形管的两边分别插入一根石墨棒，并用鳄鱼夹、导线连接电源。闭合K1，接通直流电源开始电解。 现象： 2．制作一个氢氧燃料电池。 当上述电解过程进行1～2 min后，打开K1，断开直流电源。将两根石墨棒用导线分别与电流表(或发光二极管、音乐盒等)相连，闭合K2。 现象： 【问题和讨论】 1.列表比较氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理。 氢氧燃料电池电解水能量装置电极 反应式电子流向离子流向反应类型
2.该实验装置中加入1 mol/L Na2SO4溶液的作用是什么 图示装置中石墨Ⅱ能否换成锌片作电极 3.若该装置中将Na2SO4溶液换成KOH溶液或H2SO4溶液,氢氧燃料电池电极反应式如何书写 KOH溶液H2SO4溶液负极正极
【针对训练1】如图为以Pt为电极的氢氧燃料电池的工作原理示意图,稀H2SO4为电解质溶液。下列有关说法不正确的是( ) A.a极为负极,电子由a极经外电路流向b极 B.a极的电极反应式:H2-2e-2H+ C.电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)增大 D.若将H2改为CH4,消耗等物质的量的CH4时,O2的用量增多 【针对训练2】关于电解水的实验说法正确的是( ) A.为了增加水的导电能力,可以加入氯化钠固体 B.电解水阳极生成氧气,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑ C.阴极区溶液的pH不断减小 D.在两极滴加酚酞,与电源正极相连的一极显红色 【针对训练3】如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700～900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应生成物均为无毒、无害的物质。下列说法正确的是( ) A.电池内的O2-由电极甲移向电极乙 B.电池总反应为N2H4+2O22NO+2H2O C.当甲电极上有1 mol N2H4消耗时,标准状况下乙电极上有22.4 L O2参与反应 D.电池外电路的电子由电极乙移向电极甲 【针对训练4】科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池,其效率更高,可用于航天航空。如图1所示装置中,以稀土金属材料作惰性电极,在电极上分别通入甲烷和空气,其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体,它在高温下能传导O2－(O2+4e－2O2－)。 (1)c电极的名称为 ,d电极上的电极反应式为 。 (2)如图2所示用惰性电极电解100 mL 0.5 mol·L-1硫酸铜溶液,a电极上的电极反应式为 ,若a电极产生56 mL(标准状况)气体,则所得溶液的pH= (不考虑溶液体积变化),若要使电解质溶液恢复到电解前的状态,可加入 (填字母)。 a.CuO b.Cu(OH)2 c.CuCO3 d.Cu2(OH)2CO3 【针对训练5】(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图,回答下列问题: ①电池的负极是 (填“a”或“b”)电极,该极的电极反应式为 。 ②电池工作一段时间后电解质溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率,因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混合气为正极助燃气,制得在650 ℃下工作的燃料电池。请完成有关的电池反应式。 负极反应式:2CO+2C-4e-4CO2; 正极反应式: ; 电池总反应式: 。
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