逍遥学能 2015-12-23 11:26
高一化学燃料电池和电能解题指导
化学反应不仅生成新物质，而且都伴随有能量的变化。化学反应能量的变化从物质内部揭示了化学反应的实质，诠释了物质之间发生变化的另一个侧面。这种能量变化主要体现在化学反应吸收或放出的热能变化上，以及电能与化学能之间的相互转化。下面我们尝试从这个考点了解反应中能量变化的一些形式。
一、燃烧反应、燃烧热
燃烧是一种剧烈放热、发光的化学反应，是可燃物在氧化剂气体（一般氧气）中发生的氧化还原反应。燃烧产物均为能量较低的稳定物质，所以燃烧全部为放热反应。燃烧热就是指在1个大气压的条件下，1 mol可燃物完全燃烧生成稳定的氧化物所放出的热量。表示燃烧热可以用特定的热化学方程式表示。
例1.将0.3 mol的气态高能燃料乙硼烷（B2H6）在氧气中燃烧，生成固态三氧化二硼和气态水，放出609.9 kJ热量，该反应的热化学方程式为________________。又已知：H2O(g)＝H2O(l)； ΔH＝－44.0 kJ/mol，乙硼烷的燃烧热为________kJ/mol。
解析：0.3 mol乙硼烷完全燃烧生成气态水放出609.9 kJ热量，则1 mol乙硼烷完全燃烧放出的热量为：1 mol×＝2033 kJ。因此乙硼烷燃烧的热化学反应方程式为：
B2H6(g)+3O2(g)＝B2O3(s)+3H2O(g)；ΔH＝－2033 kJ/mol。产物气态水能量较高，燃烧热应为燃烧生成液态水时放出的能量，而1 mol乙硼烷燃烧生成液态水放热
2033 kJ+44.0 kJ/mol×3 mol=2165 kJ，所以乙硼烷的燃烧热为：2165 kJ/mol。
二、燃料电池、电能
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。燃料电池作为一种新型电源，其电极材料丰富，电解质多种多样（可以是酸性，可以是碱性，可以是固态、气态还可以是液态等），尤其近年来，一次性能源的匮乏和环境保护的要求，开发利用新的清洁再生能源问题变得紧迫，燃料电池以其能量转换率高、对环境污染小等优点而将渗透到我们生活的各个领域。
例2.有人将铂电极插入氢氧化钾溶液中作电极，又在两极片上分别通甲烷和氧气形成原电池，从而设计出一种燃料电池，该电池中甲烷的铂丝为_____极，发生的电极反应为_____________.该电池工作时放电反应的总化学方程式为______________，电池工作时溶液的PH(填“不变”，“变小”,“变大”)____________
解析：甲烷燃料电池以甲烷的燃烧反应为基础进行，甲烷是还原剂，在负极发生氧化反应，氧气在正极发生还原反应，在书写电极反应时既要注意KOH电解质溶液的参与，还应注意得失电子守恒和电荷守恒。
负极：CH4+10OH—-8e—=CO32—+7H2O 正极：2 O2+4H2O+8e-=8OH-
电池总反应式：CH4+2 O2+2OH—=CO32—+3H2O
电池工作时要消耗氢氧根离子，所以PH变小。
三、热能和电能
对于一个特定化学反应，反应前后能量的变化无论以什么形式释放出来，能量值都是一样的。不过将燃烧反应设计成燃料电池将大大提高能量的利用率，这也是燃料电池即将成为21世纪新能源的重要原因。
例3.（1）碱性燃料电池（AFC）是采用30%—50%KOH溶液作电解质溶液，以氢气和氧气为燃料在一定条件下使其发生反应，试表示该电池的电极反应式。
（2）已知燃烧1 g氢气生成液态水放出热量143 kJ，某燃料电池以氢气为燃料，假设能量利用率为80%，那么要求产生1度电需标准状况下的氢气__________L，写出该反应的热化学方程式。
解析：氢氧燃料电池在碱性条件下的电极反应为：
负极：2H2+-4e- +4OH—=4H2O 正极：O2+4e—+2H2O=4OH—
电池的总反应式为：2H2+O2=2H2O，所以该燃料电池发电释放能量可以由燃烧反应的反应热求得。1 g氢气完全燃烧放出热量143 kJ，该燃烧反应的热化学方程式为2H2(g) + O2(g) ＝2H2O(l)；ΔH1＝－572 kJ/mol，氢气燃烧热为286 kJ/mol。产生1度电的能量为3600kJ，需要氢气的体积为：v（H2）==352.4 L
四、链接高考
（07江苏）甲醇子交换膜燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的两种反应原理是
①CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g)；△H= + 49．0 kJ·mol-1
②CH3OH(g)+1/2O2(g)=CO2(g)+2H2(g)；△H=－192．9 kJ·mol-1
下列说法正确的是( )。
A．CH3OH的燃烧热为192．9 kJ·mol－1
B．反应①中的能量变化如右图所示
C．CH3OH转变成H2的过程一定要吸收能量
D．根据②推知反应：CH3OH(l)+1/2O2(g)=CO2(g)+2H2(g)的△H>－192．9 kJ·mol－1
解析：本题以燃料电池为载体考查燃烧热和热化学方程式。CH3OH燃烧热应指1 mol甲醇完全燃烧生成CO2和液态水时放出的热量，题中电池反应甲醇生成氢气，不符合定义，因此选项A错。反应①是吸热反应，而上图所示反应物的总能量大于生成物的总能量应是放热反应，因此选项B也错。由反应①②可知，CH3OH转变成H2的过程有的是放热反应有的是吸热反应，选项C错。液态甲醇能量低于气态甲醇，与氧气反应放出热量少，因△H为负，所以△H>－192.9 kJ·mol－1。选D。
化学反应中的能量变化是复习化学的另一条线索，是近年来高考常考知识点，也是学生复习中的薄弱环节，必要时应做一些强化练习，将反应中涉及的能量问题综合起来，这样才会利用该知识点，使相关知识达到融会贯通。