高中化学解题方法大全——燃料电池.doc

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。
附：参考答案
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
难点24 电解原理
电解池既能与学科内知识交叉，也可在学科间形成知识交叉，因而其题相对较难。
●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。
有一电解池，电极为惰性电极，内装Na2SO3(aq)，通以直流电，惰性电极上发生化学反应。
(1)阴极上的反应为： ；
(2)阳极上的反应为： 。
●案例探究
[例题]某学生试图用电解法根据电极上析出物质的质量来验证阿伏加德罗常数值，其实验方案的要点为：
①用直流电电解氯化铜溶液，所用仪器如图24—1。
②强度为I A，通电时间为t s后，精确测得某电极上析出的铜的质量为m g。

图24—1
试回答：
(1)这些仪器的正确连接顺序为(用图中标注仪器接线柱的英文字母表示，下同)
E接____________，C接____________，____________接F。
实验线路中的电流方向为________→_______→________→C→________→________
(2)写出B电极上发生反应的离子方程式____________，G试管中淀粉KI溶液变化的现象为____________，相应的离子方程式是____________。
(3)为精确测定电极上析出铜的质量，所必需的实验步骤的先后顺序是____________。
①称量电解前电极质量 ②刮下电解后电极上的铜并清洗 ③用蒸馏水清洗电解后电极 ④低温烘干电极后称量 ⑤低温烘干刮下的铜后称量 ⑥再次低温烘干后称量至恒重
(4)已知电子的电量为1.6×10－19 C。试列出阿伏加德罗常数的计算表达式：NA=____________。
命题意图：考查学生对电解原理的理解及完成电解实验的能力。
知识依托：电解原理。
错解分析：电解CuCl2(aq)发生如下反应：
Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑
Cl2有毒，须作处理，装置中G，作用即此，如果不注意观察，忽略了或猜不透G的作用，就会得出错误的答案。不能排除②⑤干扰，也会得出错误答案。
解题思路：
(1)B电极上应产生Cl2：
2Cl－－2e－====Cl2↑
B极上流出电子，电子进入直流电源的正极，即F极，由此可得仪器连接顺序及电流方向。
(2)B中产生Cl2，Cl2进入G中与KI反应，有I2生成，I2使淀粉变蓝色。
(3)镀在A电极上的Cu是没必要刮下的，也无法刮干净，还能将A电极材料刮下，故②⑤两步须排除在外。
(4)由电学知识，可求电量Q：
Q=I A×t s=It C
由此可求出通过的电子个数：
N(e－)=
其物质的量为：
n(e－)=
而电子个数与Cu的关系为：
Cu2＋＋2e－====Cu
根据生成Cu m g得：
=×
NA可求。
答案：(1)D A B F B A D E
(2)2Cl－－2e－====Cl2↑ 变蓝色 Cl2＋2I－====2Cl－＋I2↓
(3)①③④⑥
(4)NA=mol－1
●锦囊妙计
1.电解时，要注意阴离子的放电顺序：
S2－＞Ｉ－＞Br－＞Cl－＞低价含氧酸根＞OH－＞高价含氧酸根＞F－
若用比Ag活泼的金属作电极进行电解时，金属阴极被保护，金属阳极被腐蚀，即其放电能力大于S2－。
2.电镀和电解精炼都属于电解，可应用电解原理解决该类问题。
3.电解与电学相联系，电子与电流的关系为：
n(e－)=
●歼灭难点训练
1.(★★★)下列关于铜电极的叙述正确的是( )
A.铜锌原电池中铜是正极
B.用电解法精炼粗铜时粗铜作阴极
C.在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极
D.电解稀H2SO4制取H2、O2时铜作阳极
2.(★★★★)用Pt电极电解AgF(aq)，电流强度为a A，通电时间为t min，阴极增重m g，阳极上生成标准状况下的纯净气体V L，以q C表示一个电子的电量，Mr表示Ag的相对原子质量，则阿伏加德罗常数NA可表示为( )
A.mol－1 B.mol－1
C. D.以上答案都不对
3.(★★★★)用图24—2所示的装置进行电解。通电一会儿，发现湿润的淀粉KI试纸的C端变为蓝色。则：

图24—2
(1)A中发生反应的化学方程式为__________________。
(2)在B中观察到的现象是________、________、________。
(3)室温下，若从电解开始到时间t s，A、B装置中共收集到标准状况下的气体0.168 L，若电解过程中无其他副反应发生，经测定电解后A中溶液体积恰为1000 mL，则A溶液的pH为______。
4.(★★★★★)将羧酸的碱金属盐电解可得烃类化合物。例如：
2CH3COOK＋H2OCH3—CH3↑＋2CO2↑＋H2↑＋2KOH
   (阳)    (阳)  (阴) (阴)
据下列衍变关系回答问题：
浓 H2SO4
ClCH2COOK(aq)A(混合物)
(1)写出电极反应式
阳极 ，阴极 。
(2)写出下列反应方程式
A→B： ，B→C： 。
(3)D和B在不同条件下反应会生成三种不同的E，试写出它们的结构简式 、
、 。
附：参考答案
难点磁场
解析：电解池中存在四种离子：H＋、OH－、Na＋和SO，阴极吸引阳离子H＋和Na＋，H＋得到电子成为H2逸出；阳极吸引阴离子OH－和SO，SO失去电子成为SO。
答案：①2H＋＋2e－====H2↑ ②SO－2e－＋H2O====SO＋2H＋
歼灭难点训练
1. AC
2.提示：若认为逸出气体是F2，则会误选A；若粗心未把t min转化为60t s进行计算，则会误选B；若忽视单位则会误选C。正确答案应是：mol－1
答案：D
3.提示：可以认为线路中串联了3个电解池。当选定一个为研究对象时，另外的2个可看作是线路或是电阻。

先选定湿润的淀粉KI试纸为研究对象。由于C端变为蓝色，可知C端有I2生成：
2I－－2e－====I2
I2使淀粉变蓝色。该反应是在电解池的阳极发生的反应，由此可以断定外接电源的E端为负极，F端为正极。
(1)(2)选A(或B)为研究对象，可忽略B(或A)和淀粉KI试纸的存在。
(3)由题意可得如下关系式：
4H＋~O2＋2H2
根据气体的体积可求出n(H＋)、c(H＋)及pH。
答案：(1)4AgNO34Ag＋O2↑＋4HNO3
(2)石墨极有气泡产生 Cu极周围变蓝色 溶液中有蓝色沉淀生成
(3)2
4.解析：准确理解题给信息是解决问题的关键。电解CH3COOK(aq)时，阳极吸引阴离子：CH3COO－和OH－，事实上放电的是CH3COO－，2CH3COO－－2e－2CO2↑＋CH3－CH3↑，阴极吸引阳离子：H＋和K＋，放电的是H＋，2H＋＋2e－====2H2↑
答案：(1)2ClCH2COO－－2e－CH2Cl－CH2Cl＋2CO2↑ 2H＋＋2e－====H2↑
(2)CH2Cl－CH2Cl＋2KOHCH2(OH)－CH2(OH)＋2KCl
△
CH2(OH)－CH2(OH)＋O2OHC－CHO＋2H2O
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