还剩52页未读，
继续阅读
鲁科版 (2019)选择性必修1第1章 化学反应与能量转化微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用授课课件ppt
展开
这是一份鲁科版 (2019)选择性必修1第1章 化学反应与能量转化微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用授课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·素养奠基，常见的化学电池，关键能力·素养形成，探究总结，课堂检测·素养达标，课题探究·素养提升等内容，欢迎下载使用。
一、化学反应中的能量变化1.化学能与热能的相互转化(1)化学反应从反应热角度分为吸热反应和放热反应。(2)化学反应中的反应热通常用热化学方程式表示。(3)盖斯定律:计算反应焓变的一种方法或途径。
2.化学能与电能的相互转化(1)化学能转化为电能的装置是原电池,利用了自发的氧化还原反应将物质中的化学能以电能的形式释放出来。(2)电解池是将电能转化为化学能的装置,将电能转化为化学能储存在物质之中。
【情境·思考】天宫二号空间实验室已于北京时间2019年7月19日21时06分受控离轨并再入大气层,少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层,标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
化学电源的种类很多,你知道载人航天器中使用到的化学电源有哪些吗?提示:载人航天器中常用的化学电源有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。
项目活动1:尝试设计载人航天器用化学电池【活动探究】一、第一代碱性燃料电池——培根碱性氢氧燃料电池
1.尝试画出“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池的内部结构示意图,指出各部分的作用并分析其工作原理。提示:“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池是培根型碱性氢氧燃料电池,其装置结构示意图:
多孔镍电极作为电池的电极材料,KOH是电解质溶液。H2在电极上失电子发生氧化反应,O2在电极上得电子发生还原反应,H2失去的电子沿导线定向移动,从而形成了电流。在电解质溶液中阴阳离子定向移向两电极,构成闭合回路。
2.为了保持电池的工作效率、有效利用电极反应产物,该电池还需要解决哪些问题?提示:在电池的使用过程中会生成水,同时空气中含有一定量的CO2,因此有两个重要问题:①电极反应生成的水会稀释电解质溶液,最终导致电池无法正常工作;②碱性电解质KOH会与CO2反应导致电解质变质。
3.如果你是电池的设计人员,你会提出哪些思路或方案解决以上问题?提示:①提高H2、O2的浓度;②及时分离出电极上的产物水;③及时更换或补充电解质溶液。
二、第二代质子交换膜燃料电池
1.此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的?提示:改变了电解质,使用质子交换膜作为离子导体,就不存在吸收CO2变质问题。使用流场板避免了电解质的稀释问题,流场板上带有沟槽,用以引导氢气和氧气流动,并将生成的水排出。2.若在第一代和第二代的燃料电池装置上分别加装冷凝水接收装置,你认为应该加装在什么位置?提示:培根型碱性氢氧燃料电池的水是在负极一侧生成,因此冷凝水接收装置应加装在负极一侧;而第二代质子交换膜燃料电池的水在正极上生成,并通过流场板流出,故应在正极一侧加装。
【思考讨论】1.写出第一代培根型碱性氢氧燃料电池的电极反应式和电池方程式。提示:负极:H2-2e-+2OH-====2H2O;正极:O2+4e-+2H2O====4OH-;电池反应:2H2+O2====2H2O。
2.写出第二代质子交换膜燃料电池的电极反应式和电池方程式。提示:负极:H2-2e-====2H+;正极:O2+4e-+4H+====2H2O;电池反应:2H2+O2====2H2O。
【迁移应用】1.(2020·白城高二检测)一种微生物燃料电池的结构示意图如图所示,关于该电池的叙述正确的是( )A.电池工作时,电子由a流向bB.微生物所在电极区放电时发生还原反应C.放电过程中,H+从正极区移向负极区D.正极反应式为MnO2+4H++2e-====Mn2++2H2O
【解析】选D。因为右侧产生CO2,说明微生物所在的电极区Cm(H2O)n失电子生成CO2,所以电池工作时电子由b极经外电路流向a极,A项错误;微生物所在电极区放电时发生氧化反应,B项错误;放电时阳离子向正极移动,C项错误;放电时正极发生还原反应,D项正确。
2.(2020·宿州高二检测)一种镁氧电池如图所示,电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭,电解液为KOH浓溶液。下列说法错误的是 ( )A.电池总反应式为2Mg+O2+2H2O====2Mg(OH)2 B.正极反应式为Mg-2e-====Mg2+C.活性炭可以加快O2在正极上的反应速率D.电子的移动方向由a经外电路到b
【解析】选B。电池总反应式为2Mg+O2+2H2O====2Mg(OH)2,A正确;正极应该是氧气得电子,发生还原反应,反应式为O2+4e-+2H2O====4OH-,B错误;氧气在正极参与反应,C正确;外电路中,电子由负极移向正极,该反应中a为负极,b为正极,D正确。
3.世界卫生组织的事故调查显示,50%～60%的交通事故与酒后驾驶有关,酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。如图所示装置是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量监测与控制的功能。
下列有关说法正确的是( )A.电流由呼气所在的铂电极流出B.H+透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极C.电路中流过2 ml电子时,消耗11.2 L O2D.该电池的负极反应式为CH3CH2OH+3H2O-12e-====2CO2↑+12H+
【解析】选B。根据图示,通入氧气的铂电极为正极,呼气所在的铂电极为负极。电流由氧气所在的铂电极流出,A项错误;阳离子移向正极,H+透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极,B项正确;电路中流过2 ml电子时,消耗标准状况下11.2 L O2,C项错误;根据图示,该电池的负极生成乙酸,电极反应式为CH3CH2OH+H2O-4e-====CH3COOH+4H+,D项错误。
项目活动2:尝试设计载人航天器的氧气再生方案 航天员每人每天大约消耗0.48 kg氧气,因载人航天器携带的物品有限,因此一些常规方法都难以满足长时间为飞行队持续供氧的要求。
【活动探究】1.如何在载人航天器长时间飞行时,为航天员持续提供氧气?提示:由于载人航天中的物质和能量资源均十分有限和宝贵,因此应尽可能将航天员的代谢产物中的氧元素转化为氧气,这样可以保证氧元素的持续循环。
2.在航天器中是通过萨巴蒂尔反应将CO2中的氧元素经过一系列的转化实现氧气的再生的。萨巴蒂尔反应为CO2+4H2 CH4+2H2O
(1)在反应条件下,萨巴蒂尔反应的副反应较多,其反应热难以测定,可通过如下反应进行计算。H2(g)+ O2(g)==== H2O(g) ΔH1=-241.8 kJ·ml-1CH4(g)+2O2(g)====2H2O(g)+CO2(g) ΔH2=-802.3 kJ·ml-1提示:将上述反应依次编号为①②,利用盖斯定律反应①×4-反应②可以得到萨巴蒂尔反应,因此萨巴蒂尔反应的焓变ΔH=ΔH1×4-ΔH2=-241.8 kJ·ml-1×4-(-802.3 kJ·ml-1)=-164.9 kJ·ml-1。
(2)通过上述计算的结果,请分析如何控制反应器内的温度。提示:由于此反应放热,因此为了保证转化率、控制反应器内的温度,需要将过多的反应热传走,以便废热的再利用。(3)萨巴蒂尔反应有什么缺点?提示:根据萨巴蒂尔反应的方程式可以看出,此反应中50%的氢元素进入甲烷气体中,没有进行再利用。
【思考讨论】(1)利用萨巴蒂尔反应的氧气再生过程中利用到电解,那么电解时的电能来源于哪里?请你设计较为理想的方法。提示:考虑到载人航天器的实际情况,电解所需要的电能应该来源于太阳能电池,有阳光时将太阳能存储在二次电池中,阴暗处再以电能的形式释放出来。
(2)除用盖斯定律计算反应的焓变外,还可以用哪些方法得到反应的焓变?提示:通过实验测得;通过计算反应物和生成物的键能等。
【探究总结】1.萨巴蒂尔反应——将CO2转化为H2O,通过电解水生成氧气,从而实现氧气的再生。此反应的热化学方程式为CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-164.9 kJ·ml-1。2.盖斯定律:间接计算某些反应的反应热。解题模型:
【迁移应用】1.(2020·哈尔滨高二检测)已知:①Zn(s)+ O2(g)====ZnO(s) ΔH=-351.5 kJ·ml-1;②Hg(l)+ O2(g)====HgO(s) ΔH=-90.84 kJ·ml-1,则锌汞电池中的热化学方程式为Zn(s)+HgO(s)====ZnO(s)+Hg(l)的ΔH为 ( )A.+260.7 kJ·ml-1B.-260.7 kJ·ml-1C.-444.2 kJ·ml-1 D.+444.2 kJ·ml-1
【解析】选B。根据盖斯定律,由①-②可得Zn(s)+HgO(s)==== ZnO(s)+Hg(l),则有ΔH=(-351.5 kJ·ml-1)-(-90.84 kJ·ml-1)≈-260.7 kJ·ml-1。
2.(2020·西安高二检测)已知:HCN(aq)与NaOH(aq)反应的ΔH1=-12.1 kJ·ml-1;HCl(aq)与NaOH(aq)反应的ΔH2=-55.6 kJ·ml-1。则HCN在水溶液中电离的ΔH3等于( )A.-67.7 kJ·ml-1 B.-43.5 kJ·ml-1C.+43.5 kJ·ml-1D.+67.7 kJ·ml-1
【解析】选C。本题涉及的反应可表示为HCN(aq)+OH-(aq)==== CN-(aq)+H2O(l) ΔH1H+(aq)+OH-(aq)==== H2O(l) ΔH2HCN(aq) ====H+(aq)+CN-(aq) ΔH3利用盖斯定律可求出ΔH3=ΔH1-ΔH2=-12.1 kJ·ml-1-(-55.6 kJ·ml-1) =+43.5 kJ·ml-1。
3.(2020·长春高二检测)已知下列热化学方程式:①H2(g)+ O2(g)====H2O(l) ΔH1=-285.8 kJ·ml-1②H2(g)====H2(l) ΔH2=-0.92 kJ·ml-1③O2(g)====O2(l) ΔH3=-6.84 kJ·ml-1④H2O(l)====H2O(g) ΔH4=+44.0 kJ·ml-1则反应H2(l)+ O2(l) ==== H2O(g)的反应热ΔH为( )A.+237.46 kJ·ml-1B.-474.92 kJ·ml-1C.-118.73 kJ·ml-1D.-237.46 kJ·ml-1
【解析】选D。根据盖斯定律,将反应①-②-③× +④可得目标反应方程式H2(l)+ O2(l) ==== H2O(g),则ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3× +ΔH4=-237.46 kJ·ml-1。
1.(2020·哈尔滨高二检测)光电池是发展性能源。一种光化学电池的结构如图,当光照在表面涂有氯化银的银片上时,AgCl(s) Ag(s)+Cl(AgCl)[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着Cl(AgCl)+e-====Cl-(aq),若将光源移除,电池会立即恢复至初始状态。下列说法不正确的是( )A.光照时,电流由X极流向Y极B.光照时,Pt电极发生的反应为2Cl-+2e-====Cl2↑C.光照时,Cl-向Pt电极移动D.光照时,电池总反应为AgCl(s)+Cu+(aq) Ag(s)+Cu2+(aq)+Cl-(aq)
【解析】选B。光照时,银作正极,铂作负极。负极上亚铜离子失电子发生氧化反应,电极反应式为Cu+(aq)-e-====Cu2+(aq),B项错误;正极上氯原子得电子发生还原反应,电池总反应式为AgCl(s)+Cu+(aq) Ag(s)+Cu2+(aq)+Cl-(aq)。
2.(2020·济宁高二检测)十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。下列说法正确的是( )A.该电池放电时,质子从Pt 2电极经过内电路向Pt 1电极移动B.Pt 1电极附近发生的反应为SO2+2H2O-2e-==== +4H+C.Pt 2电极附近发生的反应为O2+2H2O+4e-====4OH-D.放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
【解析】选B。由图可知,SO2在Pt 1电极上发生氧化反应生成H2SO4,O2在Pt 2电极上发生还原反应,则Pt 1电极是负极,Pt 2电极是正极;放电时,阳离子向正极移动,故质子(H+)从Pt 1电极经过内电路向Pt 2电极移动,A项错误; SO2+2H2O-2e-==== +4H+,B项正确;O2在Pt 2电极上发生还原反应,由于H+透过质子交换膜向Pt 2电极迁移,则正极反应式为O2+4H++4e-====2H2O,C项错误;根据得失电子守恒可知,放电过程中消耗的SO2和O2的物质的量之比为2∶1,由于题目未指明是否处于相同状况下,因此无法确定这两种气体的体积比,D项错误。
3.(2020·汕头高二检测)断裂1 ml化学键所需的能量如表,火箭燃料肼(H2N—NH2)的有关化学反应的能量变化如图所示,则下列说法错误的是( )
A.N2(g)比O2(g)稳定B.N2H4(g)+O2(g)====N2(g)+2H2O(g) ΔH1=-534 kJ·ml-1C.图中的ΔH3=+2 218 kJ·ml-1D.表中的a=194
【解析】选D。由表中数据可知,N≡N键的键能大于O＝O键的键能,则N2(g)比O2(g)稳定,A项正确;由能量变化图示可知,反应N2H4(g)+O2(g)==== N2(g) +2H2O(g)的ΔH1=-534 kJ·ml-1,B项正确;根据盖斯定律,反应N2H4(g)+O2(g) ====N2(g)+2H2O(g)的ΔH1=ΔH2+ΔH3=(-2 752 kJ·ml-1)+ΔH3=-534 kJ·ml-1,则有ΔH3=+2 218 kJ·ml-1,C项正确;N2H4(g)+O2(g) ====2N(g)+4H(g)+2O(g)的ΔH3=(4a kJ·ml-1+154 kJ·ml-1+500 kJ·ml-1)=+2 218 kJ·ml-1,解得a=391,D项错误。
4.(2020·汕头高二检测)(1)综合治理NO和CO污染时,涉及的反应有:Ⅰ.2NO(g)+2CO(g)====N2(g)+2CO2(g) ΔH=-746.5 kJ·ml-1Ⅱ.C(s)+2NO(g)====N2(g)+CO2(g) ΔH=+172.5 kJ·ml-1高温下,C(s)与CO2反应生成CO的热化学方程式为_______________。
(2)天然气的主要成分为甲烷(CH4),部分氧化的热化学方程式为CH4(g)+ O2(g) ====CO(g)+2H2(g) ΔH=-35.6 kJ·ml-1。有人认为甲烷部分氧化的机理为①CH4(g)+2O2(g)====CO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-890.3 kJ·ml-1②CH4(g)+CO2(g)====2CO(g)+2H2(g) ΔH2= +247.3 kJ·ml-1③CH4(g)+ H2O(l)====CO(g)+3H2(g) ΔH3则ΔH3= 。
(3)N2H4和H2O2混合可作火箭推进剂。已知:①16 g液态N2H4和足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l),放出310.6 kJ的热量;②2H2O2(l) ==== O2(g)+2H2O(l) ΔH=-196.4 kJ·ml-1。则反应N2H4(l)+O2(g) ==== N2(g)+2H2O(l)的ΔH= kJ·ml-1;N2H4和H2O2反应生成N2(g)和H2O(l)的热化学方程式为 。
(4)已知:①2M(s)+3O2(g) ====2MO3(s) ΔH1②MS2(s)+2O2(g) ==== M(s)+2SO2(g) ΔH2③2MS2(s)+7O2(g) ==== 2MO3(s)+4SO2(g) ΔH3则ΔH3= (用含ΔH1、ΔH2的代数式表示),在反应③中若有0.2 ml MS2参加反应,则转移电子为 ml。
(5)研究氮氧化物与悬浮的大气中海盐粒子的相互作用时,涉及如下反应:Ⅰ.2NO2(g)+NaCl(s) ==== NaNO3(s)+ClNO(g) ΔH1<0 Ⅱ.2NO(g)+Cl2(g) ==== 2ClNO(g) ΔH2<0则反应4NO2(g)+ 2NaCl(s) ==== 2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)的ΔH= (用ΔH1、ΔH2表示)。
【解析】(1)分析热化学方程式Ⅰ、Ⅱ,根据盖斯定律,由Ⅱ-Ⅰ可得C(s)+CO2(g) ====2CO(g),则有ΔH=(+172.5 kJ·ml-1)-(-746.5 kJ·ml-1)=+919 kJ·ml-1。(2)将题干中的反应编号为④,根据盖斯定律,由④×2-①× -②× 可得③CH4(g)+H2O(l)====CO(g)+3H2(g),则有ΔH3=2×(-35.6 kJ·ml-1)- ×(-890.3 kJ·ml-1)- ×(+247.3 kJ·ml-1)=+250.3 kJ·ml-1。(3)16 g液态N2H4的物质的量为0.5 ml,与足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l),放出310.6 kJ的热量,据此写出热化学方程式:①N2H4(l)+O2(g) ==== N2(g)+2H2O(l) ΔH=-621.2 kJ·ml-1。又已知②2H2O2(l) ==== O2(g)+2H2O(l) ΔH=-196.4 kJ·ml-1,根据盖斯定律,由
①+②可得N2H4(l)+2H2O2(l)====N2(g)+4H2O(l),则有ΔH=(-621.2 kJ·ml-1)+(-196.4 kJ·ml-1)=-817.6 kJ·ml-1。(4)分析热化学方程式①～③,根据盖斯定律,由①+②×2可得2MS2(s)+7O2(g)====2MO3(s)+4SO2(g),则有ΔH3=ΔH1+2ΔH2,反应③中MS2是还原剂,被氧化生成MO3和SO2,1 ml MS2被氧化转移14 ml电子,若有0.2 ml MS2参加反应,则转移电子为2.8 ml。(5)分析热化学方程式Ⅰ和Ⅱ,根据盖斯定律,由Ⅰ×2-Ⅱ可得4NO2(g)+2NaCl(s) ==== 2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g),则有ΔH=2ΔH1-ΔH2。
答案:(1)C(s)+CO2(g) ==== 2CO(g) ΔH=+919 kJ·ml-1(2)+250.3 kJ·ml-1(3)-621.2 N2H4(l)+2H2O2(l) ====N2(g)+4H2O(l) ΔH=-817.6 kJ·ml-1(4)ΔH1+2ΔH2 2.8(5)2ΔH1-ΔH2
5.(2020·吉林高二检测)燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置。(1)以多孔铂为电极,如图甲装置中A、B口分别通入CH3CH2OH和O2构成乙醇燃料电池,则b电极是 (填“正极”或“负极”),该电池的负极的电极反应式为 。
(2)科学家研究了转化温室气体的方法,利用图乙所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO,该电池负极反应式为 , 工作时的总反应式为 。
(3)绿色电源“二甲醚-氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。
①氧气应从c处通入,则电极Y为 极,发生的电极反应式为 。 ②二甲醚(CH3OCH3)应从b处加入,则电极X上发生的电极反应式为______ 。 ③电池在放电过程中,电极X周围溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)合成气(H2、CO)不仅是化工原料,也是清洁能源。如果H2和CO以体积比1∶1组成的混合气体与空气构成碱性燃料电池(KOH溶液为电解质溶液且足量),假设CO和H2同时按比例发生反应,则燃料电池负极的电极反应式为_______ 。
【解析】(1)B口通入O2,发生还原反应,则b电极为正极。乙醇(CH3CH2OH)在负极上发生氧化反应,电解质溶液为KOH溶液,负极反应式为CH3CH2OH+16OH--12e- ====2 +11H2O。(2)由图乙可知,CO2在N极上发生还原反应生成CO,则N为正极,M为负极。H2O在负极上发生氧化反应生成O2,则电极反应式为2H2O-4e-====4H++O2↑。H2O在M极上生成O2,CO2在N极上生成CO,则电池总反应式为2CO2====O2+2CO。
(3)①二甲醚-氧气燃料电池中,O2通入正极,发生还原反应生成H2O,电极反应式为4H++O2+4e-====2H2O。②二甲醚(CH3OCH3)在负极发生氧化反应生成CO2,电极反应式为CH3OCH3+3H2O-12e-====2CO2+12H+。③放电过程中,电极X上CH3OCH3被氧化生成CO2和H+,电极X周围溶液中c(H+)增大,溶液的pH减小。(4)在碱性条件下,CO和H2均被氧化,则燃料电池负极的电极反应式为CO+H2+6OH--4e- ==== +4H2O。
答案:(1)正极 CH3CH2OH+16OH--12e- ====2 +11H2O (2)2H2O-4e-====4H++O2↑ 2CO2====O2+2CO(3)①正 4H++O2+4e-====2H2O ②CH3OCH3+3H2O-12e- ==== 2CO2+12H+ ③减小(4)CO+H2+6OH--4e-==== +4H2O
课题任务:掌控电能,绿色出行——以化学电源在日常生活中的应用为例,掌握常见化学电池的工作原理【情境创设】 绿色发展是新时代建设的重要诉求,我国能源行业应贯彻十九大报告精神,构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其他能源汽车,包括纯电动汽车、增程式电动汽车等。新能源汽车的动力主要来源于各种电池。
【素养解读】1.素养要求—科学探究与创新意识:能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发,依据探究目的,设计探究方案。2.素养目标:通过“绿色出行,新能源汽车”的探究,能从多视角分析与解决问题,培养自主探究的能力与创新意识。
【素养探究】【探究一】方案设计1.铅酸(铅蓄)电池是纯电动汽车中常用的电池,其电池总反应为Pb+PbO2+ 2H2SO4 2PbSO4+2H2O。据此请你画出铅蓄电池的结构示意图,并注明各部分的名称,写出放电和充电时的电极反应式。
提示: 放电时为原电池:正极:PbO2 + 4H+ + +2e-====PbSO4 + 2H2O负极:Pb + -2e-====PbSO4充电时为电解池:阳极:PbSO4+2H2O- 2e-====PbO2+4H++ 阴极:PbSO4+2e-==== Pb +
2.特斯拉全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCO2)电池,其工作原理如图,A极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料。隔膜只允许Li+通过,电池反应式LixC6+Li1-xCO2 C6+LiCO2,写出充电时阳极的电极反应式。
提示:充电时阳极发生氧化反应,因此电极反应式为LiCO2-xe-==== Li1-xCO2+xLi+。
3.发展新能源汽车,燃料电池汽车是一种路线。中国福田汽车是氢燃料电池汽车产业里进入较早的企业。目前用在新能源汽车上的是质子交换膜燃料电池,是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池,膜极组和集电板串联组合成一个燃料电池堆。目前,尤以氢燃料电池备受瞩目。它的结构紧凑,工作温度低(只有80 ℃),启动迅速,功率密度高,工作寿命长。工作原理如图,
请分析B电极的名称,并写出电极反应式,若电池在使用过程中对外提供了10 ml电子,则通过质子交换膜的H+的数目是多少?提示:电极B侧通入的是氧气,因此电极B为正极,电极反应式为O2+4H++4e-====2H2O,当外电路转移10 ml电子时,通过质子交换膜的氢离子数目为10NA。
【探究二】【迁移应用】4.以氨气代替氢气来研发氨燃料电池是当前科研的一个热点。氨燃料电池使用的离子导体是KOH溶液,电池反应为4NH3+3O2 2N2+6H2O。请写出氨燃料电池放电时负极的反应。提示:氨是燃料,放电时失电子在负极反应,电极反应式为2NH3-6e-+6OH-==== N2+6H2O
5.固体燃料电池相对于气体燃料电池具有体积小,无需气体存储装置等优点,镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低等特点。一种镁燃料电池以镁合金作为电池的一极,另一极充入过氧化氢,电解质溶液是酸化的氯化钠溶液。写出放电时的总反应和正极上的电极反应式。提示:镁燃料电池中,金属镁在负极发生失电子的氧化反应Mg-2e-====Mg2+,H2O2在正极发生得电子的还原反应H2O2+2e-+2H+====2H2O,所以放电时总反应:Mg+ 2H++H2O2====Mg2++2H2O。
一、化学反应中的能量变化1.化学能与热能的相互转化(1)化学反应从反应热角度分为吸热反应和放热反应。(2)化学反应中的反应热通常用热化学方程式表示。(3)盖斯定律:计算反应焓变的一种方法或途径。
2.化学能与电能的相互转化(1)化学能转化为电能的装置是原电池,利用了自发的氧化还原反应将物质中的化学能以电能的形式释放出来。(2)电解池是将电能转化为化学能的装置,将电能转化为化学能储存在物质之中。
【情境·思考】天宫二号空间实验室已于北京时间2019年7月19日21时06分受控离轨并再入大气层,少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层,标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
化学电源的种类很多,你知道载人航天器中使用到的化学电源有哪些吗?提示:载人航天器中常用的化学电源有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。
项目活动1:尝试设计载人航天器用化学电池【活动探究】一、第一代碱性燃料电池——培根碱性氢氧燃料电池
1.尝试画出“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池的内部结构示意图,指出各部分的作用并分析其工作原理。提示:“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池是培根型碱性氢氧燃料电池,其装置结构示意图:
多孔镍电极作为电池的电极材料,KOH是电解质溶液。H2在电极上失电子发生氧化反应,O2在电极上得电子发生还原反应,H2失去的电子沿导线定向移动,从而形成了电流。在电解质溶液中阴阳离子定向移向两电极,构成闭合回路。
2.为了保持电池的工作效率、有效利用电极反应产物,该电池还需要解决哪些问题?提示:在电池的使用过程中会生成水,同时空气中含有一定量的CO2,因此有两个重要问题:①电极反应生成的水会稀释电解质溶液,最终导致电池无法正常工作;②碱性电解质KOH会与CO2反应导致电解质变质。
3.如果你是电池的设计人员,你会提出哪些思路或方案解决以上问题?提示:①提高H2、O2的浓度;②及时分离出电极上的产物水;③及时更换或补充电解质溶液。
二、第二代质子交换膜燃料电池
1.此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的?提示:改变了电解质,使用质子交换膜作为离子导体,就不存在吸收CO2变质问题。使用流场板避免了电解质的稀释问题,流场板上带有沟槽,用以引导氢气和氧气流动,并将生成的水排出。2.若在第一代和第二代的燃料电池装置上分别加装冷凝水接收装置,你认为应该加装在什么位置?提示:培根型碱性氢氧燃料电池的水是在负极一侧生成,因此冷凝水接收装置应加装在负极一侧;而第二代质子交换膜燃料电池的水在正极上生成,并通过流场板流出,故应在正极一侧加装。
【思考讨论】1.写出第一代培根型碱性氢氧燃料电池的电极反应式和电池方程式。提示:负极:H2-2e-+2OH-====2H2O;正极:O2+4e-+2H2O====4OH-;电池反应:2H2+O2====2H2O。
2.写出第二代质子交换膜燃料电池的电极反应式和电池方程式。提示:负极:H2-2e-====2H+;正极:O2+4e-+4H+====2H2O;电池反应:2H2+O2====2H2O。
【迁移应用】1.(2020·白城高二检测)一种微生物燃料电池的结构示意图如图所示,关于该电池的叙述正确的是( )A.电池工作时,电子由a流向bB.微生物所在电极区放电时发生还原反应C.放电过程中,H+从正极区移向负极区D.正极反应式为MnO2+4H++2e-====Mn2++2H2O
【解析】选D。因为右侧产生CO2,说明微生物所在的电极区Cm(H2O)n失电子生成CO2,所以电池工作时电子由b极经外电路流向a极,A项错误;微生物所在电极区放电时发生氧化反应,B项错误;放电时阳离子向正极移动,C项错误;放电时正极发生还原反应,D项正确。
2.(2020·宿州高二检测)一种镁氧电池如图所示,电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭,电解液为KOH浓溶液。下列说法错误的是 ( )A.电池总反应式为2Mg+O2+2H2O====2Mg(OH)2 B.正极反应式为Mg-2e-====Mg2+C.活性炭可以加快O2在正极上的反应速率D.电子的移动方向由a经外电路到b
【解析】选B。电池总反应式为2Mg+O2+2H2O====2Mg(OH)2,A正确;正极应该是氧气得电子,发生还原反应,反应式为O2+4e-+2H2O====4OH-,B错误;氧气在正极参与反应,C正确;外电路中,电子由负极移向正极,该反应中a为负极,b为正极,D正确。
3.世界卫生组织的事故调查显示,50%～60%的交通事故与酒后驾驶有关,酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。如图所示装置是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量监测与控制的功能。
下列有关说法正确的是( )A.电流由呼气所在的铂电极流出B.H+透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极C.电路中流过2 ml电子时,消耗11.2 L O2D.该电池的负极反应式为CH3CH2OH+3H2O-12e-====2CO2↑+12H+
【解析】选B。根据图示,通入氧气的铂电极为正极,呼气所在的铂电极为负极。电流由氧气所在的铂电极流出,A项错误;阳离子移向正极,H+透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极,B项正确;电路中流过2 ml电子时,消耗标准状况下11.2 L O2,C项错误;根据图示,该电池的负极生成乙酸,电极反应式为CH3CH2OH+H2O-4e-====CH3COOH+4H+,D项错误。
项目活动2:尝试设计载人航天器的氧气再生方案 航天员每人每天大约消耗0.48 kg氧气,因载人航天器携带的物品有限,因此一些常规方法都难以满足长时间为飞行队持续供氧的要求。
【活动探究】1.如何在载人航天器长时间飞行时,为航天员持续提供氧气?提示:由于载人航天中的物质和能量资源均十分有限和宝贵,因此应尽可能将航天员的代谢产物中的氧元素转化为氧气,这样可以保证氧元素的持续循环。
2.在航天器中是通过萨巴蒂尔反应将CO2中的氧元素经过一系列的转化实现氧气的再生的。萨巴蒂尔反应为CO2+4H2 CH4+2H2O
(1)在反应条件下,萨巴蒂尔反应的副反应较多,其反应热难以测定,可通过如下反应进行计算。H2(g)+ O2(g)==== H2O(g) ΔH1=-241.8 kJ·ml-1CH4(g)+2O2(g)====2H2O(g)+CO2(g) ΔH2=-802.3 kJ·ml-1提示:将上述反应依次编号为①②,利用盖斯定律反应①×4-反应②可以得到萨巴蒂尔反应,因此萨巴蒂尔反应的焓变ΔH=ΔH1×4-ΔH2=-241.8 kJ·ml-1×4-(-802.3 kJ·ml-1)=-164.9 kJ·ml-1。
(2)通过上述计算的结果,请分析如何控制反应器内的温度。提示:由于此反应放热,因此为了保证转化率、控制反应器内的温度,需要将过多的反应热传走,以便废热的再利用。(3)萨巴蒂尔反应有什么缺点?提示:根据萨巴蒂尔反应的方程式可以看出,此反应中50%的氢元素进入甲烷气体中,没有进行再利用。
【思考讨论】(1)利用萨巴蒂尔反应的氧气再生过程中利用到电解,那么电解时的电能来源于哪里?请你设计较为理想的方法。提示:考虑到载人航天器的实际情况,电解所需要的电能应该来源于太阳能电池,有阳光时将太阳能存储在二次电池中,阴暗处再以电能的形式释放出来。
(2)除用盖斯定律计算反应的焓变外,还可以用哪些方法得到反应的焓变?提示:通过实验测得;通过计算反应物和生成物的键能等。
【探究总结】1.萨巴蒂尔反应——将CO2转化为H2O,通过电解水生成氧气,从而实现氧气的再生。此反应的热化学方程式为CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-164.9 kJ·ml-1。2.盖斯定律:间接计算某些反应的反应热。解题模型:
【迁移应用】1.(2020·哈尔滨高二检测)已知:①Zn(s)+ O2(g)====ZnO(s) ΔH=-351.5 kJ·ml-1;②Hg(l)+ O2(g)====HgO(s) ΔH=-90.84 kJ·ml-1,则锌汞电池中的热化学方程式为Zn(s)+HgO(s)====ZnO(s)+Hg(l)的ΔH为 ( )A.+260.7 kJ·ml-1B.-260.7 kJ·ml-1C.-444.2 kJ·ml-1 D.+444.2 kJ·ml-1
【解析】选B。根据盖斯定律,由①-②可得Zn(s)+HgO(s)==== ZnO(s)+Hg(l),则有ΔH=(-351.5 kJ·ml-1)-(-90.84 kJ·ml-1)≈-260.7 kJ·ml-1。
2.(2020·西安高二检测)已知:HCN(aq)与NaOH(aq)反应的ΔH1=-12.1 kJ·ml-1;HCl(aq)与NaOH(aq)反应的ΔH2=-55.6 kJ·ml-1。则HCN在水溶液中电离的ΔH3等于( )A.-67.7 kJ·ml-1 B.-43.5 kJ·ml-1C.+43.5 kJ·ml-1D.+67.7 kJ·ml-1
【解析】选C。本题涉及的反应可表示为HCN(aq)+OH-(aq)==== CN-(aq)+H2O(l) ΔH1H+(aq)+OH-(aq)==== H2O(l) ΔH2HCN(aq) ====H+(aq)+CN-(aq) ΔH3利用盖斯定律可求出ΔH3=ΔH1-ΔH2=-12.1 kJ·ml-1-(-55.6 kJ·ml-1) =+43.5 kJ·ml-1。
3.(2020·长春高二检测)已知下列热化学方程式:①H2(g)+ O2(g)====H2O(l) ΔH1=-285.8 kJ·ml-1②H2(g)====H2(l) ΔH2=-0.92 kJ·ml-1③O2(g)====O2(l) ΔH3=-6.84 kJ·ml-1④H2O(l)====H2O(g) ΔH4=+44.0 kJ·ml-1则反应H2(l)+ O2(l) ==== H2O(g)的反应热ΔH为( )A.+237.46 kJ·ml-1B.-474.92 kJ·ml-1C.-118.73 kJ·ml-1D.-237.46 kJ·ml-1
【解析】选D。根据盖斯定律,将反应①-②-③× +④可得目标反应方程式H2(l)+ O2(l) ==== H2O(g),则ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3× +ΔH4=-237.46 kJ·ml-1。
1.(2020·哈尔滨高二检测)光电池是发展性能源。一种光化学电池的结构如图,当光照在表面涂有氯化银的银片上时,AgCl(s) Ag(s)+Cl(AgCl)[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着Cl(AgCl)+e-====Cl-(aq),若将光源移除,电池会立即恢复至初始状态。下列说法不正确的是( )A.光照时,电流由X极流向Y极B.光照时,Pt电极发生的反应为2Cl-+2e-====Cl2↑C.光照时,Cl-向Pt电极移动D.光照时,电池总反应为AgCl(s)+Cu+(aq) Ag(s)+Cu2+(aq)+Cl-(aq)
【解析】选B。光照时,银作正极,铂作负极。负极上亚铜离子失电子发生氧化反应,电极反应式为Cu+(aq)-e-====Cu2+(aq),B项错误;正极上氯原子得电子发生还原反应,电池总反应式为AgCl(s)+Cu+(aq) Ag(s)+Cu2+(aq)+Cl-(aq)。
2.(2020·济宁高二检测)十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。下列说法正确的是( )A.该电池放电时,质子从Pt 2电极经过内电路向Pt 1电极移动B.Pt 1电极附近发生的反应为SO2+2H2O-2e-==== +4H+C.Pt 2电极附近发生的反应为O2+2H2O+4e-====4OH-D.放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
【解析】选B。由图可知,SO2在Pt 1电极上发生氧化反应生成H2SO4,O2在Pt 2电极上发生还原反应,则Pt 1电极是负极,Pt 2电极是正极;放电时,阳离子向正极移动,故质子(H+)从Pt 1电极经过内电路向Pt 2电极移动,A项错误; SO2+2H2O-2e-==== +4H+,B项正确;O2在Pt 2电极上发生还原反应,由于H+透过质子交换膜向Pt 2电极迁移,则正极反应式为O2+4H++4e-====2H2O,C项错误;根据得失电子守恒可知,放电过程中消耗的SO2和O2的物质的量之比为2∶1,由于题目未指明是否处于相同状况下,因此无法确定这两种气体的体积比,D项错误。
3.(2020·汕头高二检测)断裂1 ml化学键所需的能量如表,火箭燃料肼(H2N—NH2)的有关化学反应的能量变化如图所示,则下列说法错误的是( )
A.N2(g)比O2(g)稳定B.N2H4(g)+O2(g)====N2(g)+2H2O(g) ΔH1=-534 kJ·ml-1C.图中的ΔH3=+2 218 kJ·ml-1D.表中的a=194
【解析】选D。由表中数据可知,N≡N键的键能大于O＝O键的键能,则N2(g)比O2(g)稳定,A项正确;由能量变化图示可知,反应N2H4(g)+O2(g)==== N2(g) +2H2O(g)的ΔH1=-534 kJ·ml-1,B项正确;根据盖斯定律,反应N2H4(g)+O2(g) ====N2(g)+2H2O(g)的ΔH1=ΔH2+ΔH3=(-2 752 kJ·ml-1)+ΔH3=-534 kJ·ml-1,则有ΔH3=+2 218 kJ·ml-1,C项正确;N2H4(g)+O2(g) ====2N(g)+4H(g)+2O(g)的ΔH3=(4a kJ·ml-1+154 kJ·ml-1+500 kJ·ml-1)=+2 218 kJ·ml-1,解得a=391,D项错误。
4.(2020·汕头高二检测)(1)综合治理NO和CO污染时,涉及的反应有:Ⅰ.2NO(g)+2CO(g)====N2(g)+2CO2(g) ΔH=-746.5 kJ·ml-1Ⅱ.C(s)+2NO(g)====N2(g)+CO2(g) ΔH=+172.5 kJ·ml-1高温下,C(s)与CO2反应生成CO的热化学方程式为_______________。
(2)天然气的主要成分为甲烷(CH4),部分氧化的热化学方程式为CH4(g)+ O2(g) ====CO(g)+2H2(g) ΔH=-35.6 kJ·ml-1。有人认为甲烷部分氧化的机理为①CH4(g)+2O2(g)====CO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-890.3 kJ·ml-1②CH4(g)+CO2(g)====2CO(g)+2H2(g) ΔH2= +247.3 kJ·ml-1③CH4(g)+ H2O(l)====CO(g)+3H2(g) ΔH3则ΔH3= 。
(3)N2H4和H2O2混合可作火箭推进剂。已知:①16 g液态N2H4和足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l),放出310.6 kJ的热量;②2H2O2(l) ==== O2(g)+2H2O(l) ΔH=-196.4 kJ·ml-1。则反应N2H4(l)+O2(g) ==== N2(g)+2H2O(l)的ΔH= kJ·ml-1;N2H4和H2O2反应生成N2(g)和H2O(l)的热化学方程式为 。
(4)已知:①2M(s)+3O2(g) ====2MO3(s) ΔH1②MS2(s)+2O2(g) ==== M(s)+2SO2(g) ΔH2③2MS2(s)+7O2(g) ==== 2MO3(s)+4SO2(g) ΔH3则ΔH3= (用含ΔH1、ΔH2的代数式表示),在反应③中若有0.2 ml MS2参加反应,则转移电子为 ml。
(5)研究氮氧化物与悬浮的大气中海盐粒子的相互作用时,涉及如下反应:Ⅰ.2NO2(g)+NaCl(s) ==== NaNO3(s)+ClNO(g) ΔH1<0 Ⅱ.2NO(g)+Cl2(g) ==== 2ClNO(g) ΔH2<0则反应4NO2(g)+ 2NaCl(s) ==== 2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)的ΔH= (用ΔH1、ΔH2表示)。
【解析】(1)分析热化学方程式Ⅰ、Ⅱ,根据盖斯定律,由Ⅱ-Ⅰ可得C(s)+CO2(g) ====2CO(g),则有ΔH=(+172.5 kJ·ml-1)-(-746.5 kJ·ml-1)=+919 kJ·ml-1。(2)将题干中的反应编号为④,根据盖斯定律,由④×2-①× -②× 可得③CH4(g)+H2O(l)====CO(g)+3H2(g),则有ΔH3=2×(-35.6 kJ·ml-1)- ×(-890.3 kJ·ml-1)- ×(+247.3 kJ·ml-1)=+250.3 kJ·ml-1。(3)16 g液态N2H4的物质的量为0.5 ml,与足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l),放出310.6 kJ的热量,据此写出热化学方程式:①N2H4(l)+O2(g) ==== N2(g)+2H2O(l) ΔH=-621.2 kJ·ml-1。又已知②2H2O2(l) ==== O2(g)+2H2O(l) ΔH=-196.4 kJ·ml-1,根据盖斯定律,由
①+②可得N2H4(l)+2H2O2(l)====N2(g)+4H2O(l),则有ΔH=(-621.2 kJ·ml-1)+(-196.4 kJ·ml-1)=-817.6 kJ·ml-1。(4)分析热化学方程式①～③,根据盖斯定律,由①+②×2可得2MS2(s)+7O2(g)====2MO3(s)+4SO2(g),则有ΔH3=ΔH1+2ΔH2,反应③中MS2是还原剂,被氧化生成MO3和SO2,1 ml MS2被氧化转移14 ml电子,若有0.2 ml MS2参加反应,则转移电子为2.8 ml。(5)分析热化学方程式Ⅰ和Ⅱ,根据盖斯定律,由Ⅰ×2-Ⅱ可得4NO2(g)+2NaCl(s) ==== 2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g),则有ΔH=2ΔH1-ΔH2。
答案:(1)C(s)+CO2(g) ==== 2CO(g) ΔH=+919 kJ·ml-1(2)+250.3 kJ·ml-1(3)-621.2 N2H4(l)+2H2O2(l) ====N2(g)+4H2O(l) ΔH=-817.6 kJ·ml-1(4)ΔH1+2ΔH2 2.8(5)2ΔH1-ΔH2
5.(2020·吉林高二检测)燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置。(1)以多孔铂为电极,如图甲装置中A、B口分别通入CH3CH2OH和O2构成乙醇燃料电池,则b电极是 (填“正极”或“负极”),该电池的负极的电极反应式为 。
(2)科学家研究了转化温室气体的方法,利用图乙所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO,该电池负极反应式为 , 工作时的总反应式为 。
(3)绿色电源“二甲醚-氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。
①氧气应从c处通入,则电极Y为 极,发生的电极反应式为 。 ②二甲醚(CH3OCH3)应从b处加入,则电极X上发生的电极反应式为______ 。 ③电池在放电过程中,电极X周围溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)合成气(H2、CO)不仅是化工原料,也是清洁能源。如果H2和CO以体积比1∶1组成的混合气体与空气构成碱性燃料电池(KOH溶液为电解质溶液且足量),假设CO和H2同时按比例发生反应,则燃料电池负极的电极反应式为_______ 。
【解析】(1)B口通入O2,发生还原反应,则b电极为正极。乙醇(CH3CH2OH)在负极上发生氧化反应,电解质溶液为KOH溶液,负极反应式为CH3CH2OH+16OH--12e- ====2 +11H2O。(2)由图乙可知,CO2在N极上发生还原反应生成CO,则N为正极,M为负极。H2O在负极上发生氧化反应生成O2,则电极反应式为2H2O-4e-====4H++O2↑。H2O在M极上生成O2,CO2在N极上生成CO,则电池总反应式为2CO2====O2+2CO。
(3)①二甲醚-氧气燃料电池中,O2通入正极,发生还原反应生成H2O,电极反应式为4H++O2+4e-====2H2O。②二甲醚(CH3OCH3)在负极发生氧化反应生成CO2,电极反应式为CH3OCH3+3H2O-12e-====2CO2+12H+。③放电过程中,电极X上CH3OCH3被氧化生成CO2和H+,电极X周围溶液中c(H+)增大,溶液的pH减小。(4)在碱性条件下,CO和H2均被氧化,则燃料电池负极的电极反应式为CO+H2+6OH--4e- ==== +4H2O。
答案:(1)正极 CH3CH2OH+16OH--12e- ====2 +11H2O (2)2H2O-4e-====4H++O2↑ 2CO2====O2+2CO(3)①正 4H++O2+4e-====2H2O ②CH3OCH3+3H2O-12e- ==== 2CO2+12H+ ③减小(4)CO+H2+6OH--4e-==== +4H2O
课题任务:掌控电能,绿色出行——以化学电源在日常生活中的应用为例,掌握常见化学电池的工作原理【情境创设】 绿色发展是新时代建设的重要诉求,我国能源行业应贯彻十九大报告精神,构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其他能源汽车,包括纯电动汽车、增程式电动汽车等。新能源汽车的动力主要来源于各种电池。
【素养解读】1.素养要求—科学探究与创新意识:能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发,依据探究目的,设计探究方案。2.素养目标:通过“绿色出行,新能源汽车”的探究,能从多视角分析与解决问题,培养自主探究的能力与创新意识。
【素养探究】【探究一】方案设计1.铅酸(铅蓄)电池是纯电动汽车中常用的电池,其电池总反应为Pb+PbO2+ 2H2SO4 2PbSO4+2H2O。据此请你画出铅蓄电池的结构示意图,并注明各部分的名称,写出放电和充电时的电极反应式。
提示: 放电时为原电池:正极:PbO2 + 4H+ + +2e-====PbSO4 + 2H2O负极:Pb + -2e-====PbSO4充电时为电解池:阳极:PbSO4+2H2O- 2e-====PbO2+4H++ 阴极:PbSO4+2e-==== Pb +
2.特斯拉全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCO2)电池,其工作原理如图,A极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料。隔膜只允许Li+通过,电池反应式LixC6+Li1-xCO2 C6+LiCO2,写出充电时阳极的电极反应式。
提示:充电时阳极发生氧化反应,因此电极反应式为LiCO2-xe-==== Li1-xCO2+xLi+。
3.发展新能源汽车,燃料电池汽车是一种路线。中国福田汽车是氢燃料电池汽车产业里进入较早的企业。目前用在新能源汽车上的是质子交换膜燃料电池,是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池,膜极组和集电板串联组合成一个燃料电池堆。目前,尤以氢燃料电池备受瞩目。它的结构紧凑,工作温度低(只有80 ℃),启动迅速,功率密度高,工作寿命长。工作原理如图,
请分析B电极的名称,并写出电极反应式,若电池在使用过程中对外提供了10 ml电子,则通过质子交换膜的H+的数目是多少?提示:电极B侧通入的是氧气,因此电极B为正极,电极反应式为O2+4H++4e-====2H2O,当外电路转移10 ml电子时,通过质子交换膜的氢离子数目为10NA。
【探究二】【迁移应用】4.以氨气代替氢气来研发氨燃料电池是当前科研的一个热点。氨燃料电池使用的离子导体是KOH溶液,电池反应为4NH3+3O2 2N2+6H2O。请写出氨燃料电池放电时负极的反应。提示:氨是燃料,放电时失电子在负极反应,电极反应式为2NH3-6e-+6OH-==== N2+6H2O
5.固体燃料电池相对于气体燃料电池具有体积小,无需气体存储装置等优点,镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低等特点。一种镁燃料电池以镁合金作为电池的一极,另一极充入过氧化氢,电解质溶液是酸化的氯化钠溶液。写出放电时的总反应和正极上的电极反应式。提示:镁燃料电池中,金属镁在负极发生失电子的氧化反应Mg-2e-====Mg2+,H2O2在正极发生得电子的还原反应H2O2+2e-+2H+====2H2O,所以放电时总反应:Mg+ 2H++H2O2====Mg2++2H2O。
相关课件
高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用教学ppt课件： 这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1<a href="/hx/tb_c4002577_t3/?tag_id=26" target="_blank">微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用教学ppt课件</a>，共17页。PPT课件主要包含了镍镉电池，镍氢电池，氢氧燃料电池，神舟飞船中的电池等内容，欢迎下载使用。
高中化学微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用课堂教学课件ppt： 这是一份高中化学微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用课堂教学课件ppt，共41页。PPT课件主要包含了内容索引，知识铺垫，必备知识，自我检测，问题探究，归纳拓展，应用体验，答案C，答案B，答案D等内容，欢迎下载使用。
设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用PPT课件免费下载2023： 鲁科版 (2019)高中化学选择性必修1课文《设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用》,完整版PPT课件免费下载，优秀PPT背景图搭配，精美的免费ppt模板。轻松备课，欢迎免费下载使用。
