燃料电池及电极反应式(含解析).doc

2020届高考化学第二轮专题复习课时提升训练
燃料电池及电极反应式
一、选择题
1、质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料,空气为氧化剂,铂作催化剂,导电离子是H+。下列对该燃料电池的描述中正确的是(　　)
①正极反应为:O2+4H++4e-2H2O
②负极反应为:2H2-4e-4H+
③总的化学反应为:2H2+O22H2O
④氢离子通过电解质向正极移动
A.①②③ B.②③④
C.①②④ D.①②③④
答案:C
解析:燃料电池中的反应不是在点燃的条件下进行的,故③错。因为导电离子是H+,且向正极移动,所以正极反应为O2+4H++4e-2H2O,电子由负极通过外电路流向正极。
2、固体氧化物燃料电池是由美国西屋(Westinghouse)公司研制开发的。它以固体氧化锆—氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子 (O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)

A.有O2放电的a极为电池的负极
B.有H2放电的b极为电池的正极
C.a极对应的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
D.该电池的总反应方程式为2H2+O22H2O
答案:D
解析:固体介质允许O2-通过说明为非水体系,因此a极反应不正确,这种表达是水溶液中进行的反应,a极反应应该是:O2+2e-O2-,b极反应:H2-2e-2H+,总反应方程式是H2+O2H2O。
3、有四种燃料电池:A.固体氧化物燃料电池　B.碱性氢氧化物燃料电池　C.质子交换膜燃料电池　D.熔融盐燃料电池,下面是工作原理示意图,其中正极反应生成水的是(　　)

答案:C
解析:A项,正极反应生成O2-;B项,正极反应生成OH-;C项,正极反应生成H2O;D项,正极反应生成C。
4、一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是(　　)

A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B．电极A上H2参与的电极反应为：H2＋2OH－－2e－===2H2O
C．电池工作时，CO向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e－===2CO
答案：　D
解析：　CH4中的C为－4价，反应后生成的CO中C为＋2价，每消耗1 mol CH4转移6 mol e－，A项错误；从装置图看，电池工作过程中没有OH－参与，B项错误；该燃料电池中，电极B为正极，电极A为负极，电池工作时，CO移向负极，C项错误；在电极B上O2得到电子与CO2反应转化为CO，D项正确。
5、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气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)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)
B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)
C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)
D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－
答案：　C
解析：　甲醇燃料电池是甲醇在负极发生氧化反应，氧气在正极发生还原反应，故B、D错误；A项不是电极反应式。
6、研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaClNa2Mn5O10＋2AgCl。下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是(　　)
A．正极反应式：Ag＋Cl－－e－===AgCl
B．每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子
C．Na＋不断向“水”电池的负极移动
D．AgCl是还原产物
答案：　B
解析：　Ag作负极，负极反应式为Ag＋Cl－－e－===AgCl，A项错误；每生成1 mol Na2Mn5O10有2 mol Ag生成，故转移2 mol电子，B项正确；溶液中阳离子向正极移动，C项错误；AgCl是氧化产物，D项错误。
7、综合如图判断，下列说法正确的是(　　)

A．装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋
B．装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动
D．放电过程中，装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大
答案：　D
解析：　装置Ⅰ中，由于Zn比Fe活泼，所以Zn作原电池的负极，电极反应式为2Zn－4e－===2Zn2＋；Fe作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。由于正极有OH－生成，因此溶液的pH增大。装置Ⅱ中，Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋；Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。正极由于不断消耗H＋，所以溶液的pH逐渐增大。据此可知A、B皆错，D正确。在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，所以C错误。
二、非选择题
8、如图所示，在不同的电解质溶液中可以组成不同的电池。

(1)①当电解质溶液为稀硫酸时，Fe电极是________(填“正”或“负”)极，其电极反应式为_____________________。
②当电解质溶液为NaOH溶液时，Al电极是________(填“正”或“负”)极，其电极反应式为____________________________。
(2)若把铝改为锌，电解质溶液为浓硝酸，则Fe电极是____(填“正”或“负”)极，其电极反应式为_________。

解析：　(1)①电解质溶液是稀硫酸时，Al电极是负极，Fe电极是正极，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。②当电解质溶液是NaOH溶液时，铝与NaOH溶液反应，而Fe不反应，故铝作原电池的负极，电极反应式为Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－。
(2)把铝改为锌，用浓硝酸作电解质溶液，铁遇浓硝酸发生钝化，则Fe电极是正极，Zn电极是负极，Fe电极上的电极反应式为NO＋2H＋＋e－===NO2↑＋H2O。
答案：　(1)①正　2H＋＋2e－===H2↑
②负　Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－
(2)正　NO＋2H＋＋e－===NO2↑＋H2O
9、(1)燃料电池是一种高效低污染的新型电池。燃料电池所用燃料可以是氢气，也可以是其他燃料，如甲烷、肼等。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)肼分子(H2N—NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水，利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池，请写出该电池的负极反应式： ________________，正极反应式： _____________，总反应式： _________
(3)以甲醇(CH3OH)为燃料，空气为氧化剂，以熔融K2CO3为电解质环境的燃料电池，负极反应式为_________________，正极反应式为________________________。
答案：(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
②减小
(2)N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
N2H4＋O2===N2＋2H2O
(3)CH3OH－6e－＋3CO===4CO2＋2H2O
O2＋6e－＋3CO2===3CO
10、(1)某燃料电池以Ca(HSO4)2固体为电解质传递H＋，其基本结构如图甲所示，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。

请回答：
①H＋由________(填“a”或“b”)极通过固体酸电解质传递到另一极。
②b极上发生的电极反应式是_______________________________________________。
(2)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。如图乙所示装置中，以稀土金属材料作惰性电极，在两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导正极生成的O2－。

①c电极的名称为________。
②d电极上的电极反应式为________
(3)铝电池性能优越，Al­Ag2O电池可用作水下动力电源，其原理如图丙所示。该电池反应的化学方程式为___________________。

答案：(1)①a　②O2＋4e－＋4H＋===2H2O　(2)①正极　②CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O　(3)2Al＋3Ag2O＋2NaOH===2NaAlO2＋6Ag＋H2O
解析　(1)a极为负极，b极为正极，电极反应式分别为：
负极：2H2－4e－===4H＋，正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，其中正极上的H＋来自负极生成的H＋。
(2)根据电流的方向，可判断c为正极，d为负极。在正极通入空气，电极反应式为2O2＋8e－===4O2－，在负极通入CH4，电极反应式为CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O。
(3)由铝电池原理图可知，Al作负极，Ag2O/Ag作正极，电池反应式为2Al＋3Ag2O＋2NaOH===2NaAlO2＋6Ag＋H2O。
11、科学家预言，燃料电池是21世纪获得电能的重要途径。甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在硫酸电解质溶液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答以下问题：
(1)配平电池放电时发生的化学方程式：
CH3OH＋____O2―→____CO2＋____H2O。
(2)在硫酸电解质溶液中，CH3OH失去电子，此电池的正极发生的反应是______________，负极发生的反应是_______________________。
(3)电解质溶液中的H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________极。
答案：(1)2　3　2　4　(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O
2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋　(3)正　负
解析　(1)根据得失电子守恒配平反应方程式，注意CH3OH中的H显＋1价，O显－2价。(2)电极反应的书写应注意电解质溶液，本题给出的是酸性溶液。(3)由电极反应可知，H＋在正极被消耗，在负极生成，所以H＋向正极移动
12、微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示。

试回答下列问题：
(1)该微生物燃料电池，负极为________(填“a”或“b”)，当电路中有0.5mol电子发生转移，则有________mol的H＋通过质子交换膜。
(2)该电池正极反应式为： _______________。负极反应式为： _________________________。
答案：(1)a　0.5
(2)2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，HS－＋4H2O－8e－===SO＋9H＋
解析　(1)根据图示，在硫氧化菌作用下HS－转化为SO，发生氧化反应：HS－＋4H2O－8e－===SO＋9H＋；电极a上发生氧化反应，电极a为负极，b为正极，正极上发生还原反应：2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，当电路中有0.5 mol电子发生转移，则有0.5 mol H＋通过质子交换膜。
13、锂电池应用越来越广泛，大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。
锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其正极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。其工作原理如图，电池总反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。

请回答下列问题：
(1)该电池的正极反应式是____________________________。
(2)在负极的有机电解液和正极的水性电解液之间，用只能通过锂离子的固体电解质隔开，使用该固体电解质的优点有_______________。
(3)正极使用水性电解液的优点是_________________
答案：(1)O2＋2H2O＋4e－===4OH－
(2)既可防止两种电解液混合，又可防止水和氧气等和负极的锂金属发生反应
(3)可防止正极的碳孔堵塞
解析　(3)该电池正极若使用非水性电解液，则生成的是固体氧化锂(Li2O)，而使用水性电解液时，生成的氢氧化锂(LiOH)溶于水，这样就不会引起正极的碳孔堵塞。