专题四 电化学 选择题专攻 1.新型燃料电池（含解析）-2024年江苏高考化学大二轮复习讲义

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1．氢氧燃料电池
2.有机物燃料电池
(1)在酸性电池中，电极反应式用H＋平衡电荷，不能出现OH－。负极生成H＋，正极消耗H＋。
以CH4燃料电池为例(电解液为H2SO4溶液)，写出电极反应式。
负极：___________________________________________________________。
正极：______________________________________________________。
电池总反应式：_________________________________________________________。
(2)在碱性电池中，电极反应式用OH－平衡电荷，不能出现H＋、CO2(应为COeq \\al(2－,3))。负极消耗OH－，正极生成OH－。
以CH4燃料电池为例(电解液为KOH溶液)，写出电极反应式。
负极：______________________________________________。
正极：_____________________________________________________。
电池总反应式：_________________________________________________________。
(3)熔融碳酸盐燃料电池(COeq \\al(2－,3)平衡电荷)。
负极：燃料失去电子，生成CO2。
正极：氧气得到电子，生成COeq \\al(2－,3)。
以CH4燃料电池为例，写出电极反应式。
负极：__________________________________________________。
正极：_____________________________________________________。
(4)固态氧化物燃料电池(O2－平衡电荷)。
以CH4燃料电池为例，写出电极反应式。
负极：________________________________________________。
正极：______________________________________________________。
(5)微生物燃料电池
微生物(或酶)电池是指在微生物的作用下(类似催化作用)，将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示：
①微生物有利于有机物的氧化反应，促进了反应中电子的转移。
②有机物在负极失去电子，负极反应中有CO2生成，同时生成H＋(如葡萄糖在负极发生反应：_________________________________________________________________)，H＋通过质子交换膜从负极区移向正极区。
1．(2021·山东，10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池，下列说法正确的是( )
A．放电过程中，K＋均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1 ml O2时，理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
2．(2019·全国卷Ⅰ，12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
1．研究发现，在肼(N2H4)酸性燃料电池中添加少量Fe2(SO4)3能持续大电流放电，工作原理如图所示。
下列说法错误的是( )
A．交换膜M为质子交换膜
B．Fe3＋能够降低正极区反应的活化能
C．放电时正极区溶液的pH下降
D．负极反应式为N2H4－4e－===N2↑＋4H＋
2．沉积物微生物燃料电池(SMFC)可以将沉积物中的化学能直接转化为电能，同时加速沉积物中污染物的去除，用SMFC处理含硫废水的工作原理如图所示，酸性增强不利于菌落存活。下列说法错误的是( )
A．碳棒b电势比碳棒a电势低
B．碳棒a附近酸性增强
C．碳棒b存在电极反应：S－6e－＋4H2O===SOeq \\al(2－,4)＋8H＋
D．工作一段时间后，电池效率降低
3．一种双阴极微生物燃料电池装置如图所示。该装置可以同时进行硝化和反硝化脱氮，其中硝化过程中NHeq \\al(＋,4)被O2氧化。下列叙述正确的是( )
A．电池工作时，“厌氧阳极”为正极，“缺氧阴极”和“好氧阴极”为负极
B．电池工作时，“缺氧阴极”电极附近溶液的pH减小
C．“好氧阴极”存在反应：NHeq \\al(＋,4)－6e－＋8OH－===NOeq \\al(－,2)＋6H2O
D．“厌氧阳极”区质量减少28.8 g时，该电极输出电子2.4 ml
选择题专攻1 新型燃料电池
核心精讲
2．(1)CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O CH4＋2O2===CO2＋2H2O (2)CH4＋10OH－－8e－===7H2O＋COeq \\al(2－,3) O2＋4e－＋2H2O===4OH－ CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O (3)CH4＋4COeq \\al(2－,3)－8e－===5CO2＋2H2O O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3) (4)CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O O2＋4e－===2O2－ (5)②C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋
真题演练
1．C [放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；碱性环境下，N2H4­O2清洁燃料电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量均减小，B错误；理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为m g，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是eq \f(m g,32 g·ml－1)×6、eq \f(m g,32 g·ml－1)×4、eq \f(m g,60 g·ml－1)×16，通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1 ml O2生成的氮气的物质的量为1 ml，在标准状况下为22.4 L，D错误。]
2．B [相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV＋和MV2＋的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A正确；左室为负极区，MV＋在负极失电子发生氧化反应生成MV2＋，电极反应式为MV＋－e－=== MV2＋，放电生成的MV2＋在氢化酶的作用下与H2反应生成H＋和MV＋，反应的方程式为H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，故B错误；右室为正极区，MV2＋在正极得电子发生还原反应生成MV＋，电极反应式为MV2＋＋e－
=== MV＋，放电生成的MV＋与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2＋，故C正确；电池工作时，氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动。]
考向预测
1．C [由图可知，N2H4失去电子发生氧化反应为负极，反应为N2H4－4e－===N2↑＋4H＋，铁离子得到电子发生还原反应生成亚铁离子，亚铁离子和氧气反应的离子方程式为4Fe2＋＋4H＋＋O2===4Fe3＋＋2H2O，反应中氢离子向正极移动，交换膜M为质子交换膜，A、D正确；由图可知，铁离子参与反应后又生成，即作催化剂，Fe3＋能够降低正极区反应的活化能，B正确；由A项分析，放电时正极区溶液的酸性减弱，pH升高，C错误。]
2．B [光合菌产生的O2得电子结合H＋生成H2O，碳棒a为正极，FeSx在硫氧化菌的作用下被氧化为S，S在硫氧化菌的作用下被氧化为硫酸根离子，碳棒b为负极，正极的电势高于负极，A正确；a为正极，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，酸性减弱，B错误；根据图示，碳棒b存在电极反应：S－6e－＋4H2O===SOeq \\al(2－,4)＋8H＋，C正确；酸性增强不利于菌落存活，负极失电子发生的氧化反应会减慢，故工作一段时间后，电池效率降低，D正确。]
3．D [该装置为原电池，“厌氧阳极”上C6H12O6转化为CO2，C由0价变为＋4价，则“厌氧阳极”为负极；“缺氧阴极”上NOeq \\al(－,3)转化为NO2，再转化为N2，N由＋5价变为＋4价，最后变为0价，则“缺氧阴极”为正极；“好氧阴极”上O2转化为H2O，O由0价变为－2价，则“好氧阴极”为正极，A项错误；“缺氧阴极”上电极反应式分别为NOeq \\al(－,3)＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O,2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O，电池工作时，“缺氧阴极”上消耗H＋，其附近溶液的pH增大，B错误；“好氧阴极”上的反应有O2＋4H＋＋4e－===2H2O,2NHeq \\al(＋,4)＋3O2===2NOeq \\al(－,2)＋2H2O＋4H＋，2NOeq \\al(－,2)＋O2===2NOeq \\al(－,3)，C错误；“厌氧阳极”的电极反应式为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，1 ml C6H12O6反应消耗6 ml H2O，转移24 ml电子，“厌氧阳极”区质量减少288 g，故“厌氧阳极”区质量减少28.8 g时，该电极输出电子2.4 ml，D正确。]
负极反应式
正极反应式
酸性介质
2H2－4e－===4H＋
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
碱性介质
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－