實驗活動5制作簡單的燃料電池知識梳理知識梳理實驗目的1．理解燃料電池的工作原理。2．設計和制作一個氫氧燃料電池。實驗用品U形管、石墨棒(石墨棒使用前應該經過烘干活化處理)、3～6V的直流電源、鱷魚夾、導線和開關、電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)。1mol·L－1Na2SO4溶液、酚酞溶液。實驗步驟1．電解水。在U形管中注入1mol·L－1Na2SO4溶液，然后向其中滴入1～2滴酚酞溶液。在U形管的兩邊分別插入一根石墨棒，并用鱷魚夾、導線連接電源。閉合K1，接通直流電源開始電解，現象為：兩極石墨棒均產生氣泡，右側石墨棒附近溶液變紅。2．制作一個氫氧燃料電池。當上述電解過程進行1～2min后，打開K1，斷開直流電源。將兩根石墨棒用導線分別與電流表(或發(fā)光二極管、音樂盒等)相連，閉合K2，現象為：電流表指針發(fā)生偏轉。問題和討論列表比較氫氧燃料電池的工作原理和電解水的原理。氫氧燃料電池電解水能量化學能→電能電能→化學能裝置電極反應式負極：2H2－4e－4H＋正極：O2＋4e－＋4H＋2H2O總反應式：2H2＋O22H2O陽極：2H2O－4e－O2↑＋4H＋陰極：4H2O＋4e－2H2↑＋4OH－總反應式：2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))2H2↑＋O2↑電子流向負極→正極負極→陰極，陽極→正極離子流向陽離子→正極，陰離子→負極陽離子→陰極，陰離子→陽極反應類型自發(fā)的氧化還原反應非自發(fā)的氧化還原反應典例分析典例分析【典例】肼(N2H4)是一種應用廣泛的化工原料。(1)發(fā)射火箭時用肼為燃料，NO2(g)作氧化劑，兩者反應生成氮氣和氣態(tài)水。已知16gN2H4(g)在上述反應中放出284kJ的熱量，寫出該反應的熱化學方程式__。(2)一種以N2H4(g)為燃料的電池裝置如圖所示。該燃料電池的電極材料采用多孔導電材料，以提高電極反應物在電極表面的吸附量，并使它們與電解質溶液充分接觸，以含氧氣為20%(體積分數)的空氣作為氧化劑，KOH溶液作為電解質。①負極的電極反應式為__。②電池工作時消耗標準狀況下2.24L空氣時，產生N2的質量約為__g。(3)肼和氧氣在不同溫度和催化劑條件下生成不同產物(如圖)：溫度較低時主要發(fā)生反應a：N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g)，溫度較高時主要發(fā)生反應b：N2H4(g)+2O2(g)=2NO(g)+2H2O(g)。①反應a的化學平衡常數K的表達式為K=__。②若反應b在1000℃時的平衡常數為K1，1100℃時的平衡常數為K2，則K1__K2(填“>”、“=”或“<”)。③1000℃，反應b達到平衡時，下列措施能使容器中增大的是__。A．恒容條件下，充入N2H4B．恒壓條件下，充入HeC．縮小容器體積

D．使用催化劑【答案】(1)2N2H4(g)+2NO2(g)=3N2(g)+4H2O(g)ΔH

=1136kJ/mol(2)

N2H4+4OH4e═N2+4H2O

0.56(3)

＞

AB【分析】(1)16gN2H4(g)的物質的量為n(N2H4)==0.5mol，放出284kJ的熱量，則2molN2H4放出284kJ×4=1136kJ，該反應的熱化學方程式為2N2H4(g)+2NO2(g)=3N2(g)+4H2O(g)ΔH

=1136kJ/mol；(2)①通入燃料的電極為負極，負極上燃料失電子發(fā)生氧化反應，電極反應式為N2H4+4OH4e=N2+4H2O；②N2H4與O2反應的方程式為N2H4+O2=N2+2H2O，標準狀況下2.24L

空氣為0.1mol，空氣中O2占20%，所以O2的物質的量為n(O2)=0.1mol×20%=0.02mol，生成N2的物質的量為n(N2)=0.02mol，其質量為m(N2)=0.02mol×28g/mol=0.56g；(3)①由a的反應方程式N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g)可知，反應a的化學平衡常數K的表達式為K=；②根據題中圖象氮氣的產率變化可知，若反應b從1000℃變?yōu)?100℃，NO產率減少，即平衡逆向移動，平衡常數減小，則K1＞K2；③A．恒容條件下，充入N2H4，平衡右移，NO增大，O2減小，所以增大，故A選；B．恒壓條件下，充入He，則增大容器體積，對平衡體系來說，相當于減壓，平衡右移，NO增大，O2減小，所以增大，故B選；C．縮小容器體積，相當于增大壓強，平衡左移，NO減小，O2增大，所以)減小，故C不選；D．使用催化劑，對化學平衡無影響，平衡不移動，所以不變，故D不選；故選：AB。同步訓練同步訓練一、單選題1．在合成氨工業(yè)中，原料氣(、及少量CO、的混合氣體)在進入合成塔前需經過銅氨液處理，目的是除去其中的CO，其反應為：。下列有關說法錯誤的是（）A．該反應的B．升高溫度，可加快CO的去除速率C．該反應在任何溫度下均可自發(fā)進行D．的物質的量濃度不再減小時，應達到最大限度【答案】C【解析】A．該反應有2分子氣體變成液體由無序變成有序，故，A正確；B．，升高溫度平衡正向移動，故可加快CO的去除速率，B正確；C．由于該反應的，，，故該反應在低溫條件下可自發(fā)進行，C錯誤；D．隨著反應的不斷進行的物質的量濃度不斷減少，當的物質的量濃度不再減小時，應達到平衡，D正確；故選C。2．CO是工業(yè)尾氣中的有害成分，科研人員正在研究在，催化劑上進行CO甲烷化，其中一部分反應的機理如圖所示。下列有關CO甲烷化的說法不正確的是（）A．甲烷化的副產品為B．甲烷化反應的活化能小于副反應的活化能C．甲烷化的反應速率主要由第一步決定D．由圖可知的【答案】B【解析】A．從圖中分析，反應歷程中間出現產物，后續(xù)變化并沒消耗，A正確；B．甲烷化反應的活化能從圖中縱坐標得知，達到258.0，大于副反應的活化能187.0，B錯誤；C．甲烷化反應歷程中，第一步活化能比較大，反應速率比較小，故反應速率主要由第一步決定，C正確；D．由圖可知的，D正確；故選B。3．文獻報道：在45℃、0.1MPa時，科學家以鐵粉為催化劑，通過球磨法合成氨。部分反應歷程如圖所示(吸附在催化劑表面的物種用*標注)，下列說法正確的是A．由此歷程可知：N*＋3H*＝NH*＋2H*

ΔH>0B．鐵粉改變了合成氨的反應歷程和反應熱C．圖示過程中有極性共價鍵的生成D．用不同催化劑合成氨，反應歷程均與上圖相同【答案】C【解析】A．ΔH與反應過程無關，取決于反應的起點和終點，由圖知，反應物的總能量比生成物的總能量高，為放熱反應ΔH<0，則N*＋3H*＝NH*＋2H*

ΔH<0，A錯誤；B．鐵粉做催化劑，只改變反應歷程，不改變始終態(tài)，即不能改變反應熱，B錯誤；C．過程中有NH極性共價鍵的生成，C正確；D．不同的催化劑，改變反應的歷程不一樣，D錯誤；故選：C。4．二氧化硫是一種應用廣泛的化工原料。在接觸法制硫酸的工業(yè)中，二氧化硫制取三氧化硫的反應為2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g)

?H=196kJ?mol1.實驗室用亞硫酸鈉固體與70％的硫酸制取少量的二氧化硫。下列有關用二氧化硫制取三氧化硫的說法正確的是（）A．反應的?S＞0B．2molSO2與足量O2反應，放出的熱量為196kJC．工業(yè)上用通入足量的空氣來提高SO2的轉化率D．反應中每消耗1molSO2轉移的電子數目約等于4×6.02×1023【答案】C【解析】A．2SO2(g)+O2(g)??2SO3(g)反應是氣體體積縮小的反應，?S<0，A錯誤；B．該反應是可逆反應，反應不能充分進行，2molSO2與足量O2反應，放出的熱量小于196kJ，B錯誤；C．工業(yè)上通入足量的空氣使平衡正向移動，氧氣轉化率下降，但提高SO2的轉化率，C正確；D．反應中S元素由+4價變成+6價，升2價，每消耗1molSO2轉移的電子數目約等于2×6.02×1023，D錯誤；故選C。5．二氧化碳的過量排放可對海洋生物的生存環(huán)境造成很大影響，其原理如圖所示。下列敘述正確的是（）A．海水酸化能引起HCO濃度減小、CO濃度增大B．海水酸化能促進CaCO3的溶解，導致珊瑚礁減少C．CO2能引起海水酸化，其原理為HCO?H++COD．珊瑚周圍藻類植物的生長不利于珊瑚的形成【答案】B【解析】A．海水酸化導致溶液中H+濃度增大，H＋與CO結合生成HCO，海水中HCO濃度增大、CO濃度減小，故A錯誤；B．H＋與CO結合，促進CaCO3Ca2++CO正向移動，即能促進CaCO3的溶解，導致珊瑚礁減少，故B正確；C．CO2引起海水酸化是因為CO2與水反應生成碳酸，碳酸電離出氫離子使海水酸性變強，其原理為CO2+H2OH2CO3H++HCO，故C錯誤；D．使用太陽能、氫能等新能源可以減少CO2排放，從而改善珊瑚的生存環(huán)境，故D正確；答案選B。6．各式各樣電池的迅速發(fā)展是化學對人類的一項重大貢獻。下列有關電池的敘述正確的是（）A．手機上用的鋰離子電池可以用KOH溶液作電解液B．鋅錳干電池中，鋅電極是負極C．氫氧燃料電池工作時氫氣在負極上被還原D．太陽能電池的主要材料是高純度的二氧化硅【答案】B【解析】Ａ．鋰能與水反應，不能用水溶液作電解液，故A錯誤；Ｂ．鋅錳干電池中鋅失去電子生成Zn2+為負極，故B正確；Ｃ．氫氧燃料電池工作時氫氣在負極被氧化，故C錯誤；Ｄ．太陽能電池的主要材料為硅，故D錯誤；故選B。7．2018年5月美國研究人員成功實現在常溫常壓下用氮氣和水生產氨，原理如圖所示：下列說法正確的是（）A．圖中能量轉化方式只有2種B．H+向a極區(qū)移動C．a極上每產生22.4LO2流過電極的電子為4molD．b極發(fā)生的電極反應為：N2＋6H+＋6e－=2NH3【答案】D【解析】A.圖中能量轉化方式有風能轉化為電能、太陽能轉化為電能、化學能轉化為電能等，故A錯誤；B.

b極氮氣轉化為氨氣，氮元素化合價降低被還原為原電池的正極，故H+向正極b極區(qū)移動，故B錯誤；C.a極為負極，電極反應為2H2O?4e?=O2↑+4H+，但由于氧氣所處的狀態(tài)不明確，故22.4L氧氣的物質的量不一定是1mol，故流過電極的電子不一定是4mol，故C錯誤；D.b極為正極，發(fā)生的電極反應為：N2+6H++6e?=2NH3，故D正確；故選D。8．已知某鋰離子電池的總反應為LixC+Li1xCoO2C+LiCoO2，鋰硫電池的總反應為2Li+SLi2S。其裝置圖如圖所示：有關上述兩種電池說法正確的是（

）A．鋰離子電池放電時，Li+向負極遷移B．鋰硫電池充電時，鋰電極發(fā)生還原反應C．兩種電池的負極材料相同D．鋰離子電池充電時，碳電極做陽極【答案】B【解析】A．鋰離子電池放電時，Li+向正極遷移發(fā)生還原反應，故A錯誤；B．鋰硫電池充電時，Li2S在鋰電極被還原得到Li，故鋰電極此時發(fā)生還原反應，故B正確；C．鋰離子電池的總反應為LixC+Li1xCoO2C+LiCoO2，則LixC為負極，鋰硫電池的總反應為2Li+SLi2S則Li為負極，所以兩種電池的負極材料不同，故C錯誤；D．鋰離子電池放電時，C電解為負極，充電時與負極相連做陰極，故D錯誤；故選B。9．某高性能電池的工作原理如圖。其電池反應為Cx(PF6)＋NaSnCx＋Sn＋NaPF6。下列說法錯誤的是（）A．放電時，b為正極B．放電時，負極材料Sn在很大程度上被腐蝕C．充電時，PF向右遷移并嵌入石墨烯中D．充電時，陰極反應為Sn＋Na＋＋e－＝NaSn【答案】B【解析】A．電池反應為Cx(PF6)＋NaSnCx＋Sn＋NaPF6，NaSn合金發(fā)生氧化反應，NaSn合金是負極，則b為正極，故A項說法正確；B．放電時，負極材料發(fā)生失電子的氧化反應：NaSne═Sn+Na+，Sn未被腐蝕，故B項說法錯誤；C．充電時，PF向陽極移動，向著電源的正極移動，向右遷移并嵌入石墨烯中，故C項說法正確；D．NaSn合金是負極，發(fā)生失電子的氧化反應：NaSne═Sn+Na+，充電時的陰極反應和負極反應相反，即Sn+Na++e═NaSn，故D項說法正確；綜上所述，說法錯誤的是B項，故答案為B。10．如圖為一種微生物燃料電池結構示意圖，關于該電池敘述正確的是（

）A．放電過程中，H+從正極區(qū)移向負極區(qū)B．正極每消耗1molMnO2有2molOH遷移至負極C．微生物所在電極區(qū)放電時發(fā)生還原反應D．左邊電極反應式為：MnO2+4H++2e﹣=Mn2++2H2O【答案】D【解析】A．放電時，陽離子向正極區(qū)移動，故A錯誤；B．正極每消耗1molMnO2轉移2mol電子，兩極間有質子交換膜，氫氧根離子不能穿過，B錯誤；C．微生物所在電極區(qū)放電時，碳元素化合價升高，發(fā)生氧化反應，C錯誤；D．左邊電極為正極，錳元素化合價降低，發(fā)生還原反應，反應式為：MnO2+4H++2e﹣=Mn2++2H2O，D正確；答案選D。二、原理綜合題11．化學反應伴隨能量變化，獲取反應能量變化有多條途徑?；卮鹣铝袉栴}：(1)理論研究表明，在和下，異構化反應過程的能量變化如圖所示，計算可得：_______。與穩(wěn)定性較強的是_______。正反應的活化能_______(填“大于”、“小于”或“等于”)逆反應的活化能。(2)已知：斷開分子中的化學鍵使其分別生成氣態(tài)A原子和氣態(tài)B原子所吸收的能量稱為的鍵能。下表列出了一些化學鍵的鍵能，試計算：化學鍵鍵能/247496463431當反應轉移電子時，反應的能量變化是_______。(3)已知：完全燃燒生成時放出熱量，則表示甲烷燃燒熱的熱化學方程式為_______。(4)已知：中和反應反應熱數值為，寫出稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液反應的熱化學方程式_______。(5)如圖所示裝置可以說明有化學能轉化為電能的實驗現象為_______，負極的電極反應式為_______?！敬鸢浮?1)

大于(2)放出的能量(3)(4)(5)

電流表指針發(fā)生偏轉

【解析】(1)根據異構化反應過程的能量變化圖可知：是吸熱反應，；物質的能量越低，越穩(wěn)定，根據圖示可知，HCN的穩(wěn)定性較強；吸熱反應的正反應的活化能大于逆反應的活化能；故答案為：；HCN；大于；(2)依據反應熱=斷裂化學鍵吸收的能量形成化學鍵放出的能量來計算，1mol氧氣參與反應轉移4mol電子，根據熱化學方程式的意義，可知轉移電子時，會放出的能量；(3)完全燃燒生成時放出熱量，故甲烷即甲烷完全燃燒放出的熱量為：；甲烷燃燒熱指l甲烷完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水所放出的熱量，則甲烷燃燒熱的熱化學方程式為：；(4)中和反應反應熱是強酸和強堿的稀溶液完全反應生成水放出的熱量，稀硫酸和稀氫氧化鈉溶液反應的熱化學方程式為；(5)化學能轉化為電能，說明整個電路中有電流通過，如圖裝置為原電池裝置，電流表指針發(fā)生偏轉；負極是參與反應，電極反應式為：。12．過渡元素的金屬及其氧化物常用作反應的催化劑。(1)和催化合成的反應如下：(未配平)①該反應的催化歷程可簡化為兩步：第Ⅰ步：；第Ⅱ步的方程式為___________。第Ⅰ步反應決定了總反應達到平衡的時間，兩步反應的活化能EI___________EⅡ。(填“＞”、“=”或“＜”)②加入Ga可以增大催化劑的表面積。Ga的基態(tài)原子核外電子排布式為___________。(2)我國科學家以和為原料，熔融為離子導體，通過催化電解法制備，裝置如圖1所示，其中在電極B上的反應過程如圖2所示。①參與電極B上反應的催化劑是___________，②描述在電極B上催化生成的過程___________。(3)富氧條件下，和NO在釩基催化作用下發(fā)生脫硝反應，方程式可表示為主反應：副反應：Ⅰ.Ⅱ.……

……不同氨氮比[]下，NO的轉化率和的生成量隨溫度的變化曲線如圖3和圖4所示，測得300℃后，轉化率基本不變。①上述脫硝的主反應中，分別被NO和氧化的的質量之比為___________，②超過400℃：溫度升高，NO轉化率下降，可能原因是___________；氨氮比越大，NO轉化率越小，可能原因是___________。【答案