高中化学30个难点专题突破难点23燃料电池

高中化学“新型化学电源”重难点知识透析
刘新荣
【期刊名称】《中学生数理化：高考理化》
【年(卷),期】2017(0)11X
【摘要】随着全球能源逐渐枯竭,研发、推广新型能源迫在眉睫,因此,化学中的新型能源成为科学家研究的重点方向之一,也成为了高考的高频考点。

高考中的新型化学电源有'氢镍电池''高铁电池''锌锰碱性电池''海洋电池''燃料电池''锂离子电池''银锌电池''纽扣电池'等,一般具有高能环保、经久耐用。

【总页数】2页(P83-84)
【关键词】原电池;电极反应式;电解池;空气电池;化学电源;高中化学
【作者】刘新荣
【作者单位】河北省廊坊市管道局中学
【正文语种】中文
【中图分类】G634.8
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高考化学中的新型电池与六个难点的突破（一）高考中的新型电池，大致有“氢镍电池”、“高铁电池”、“锌-锰碱性电池”、我国首创的“海洋电池”、燃料电池(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷氧燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、一氧化碳燃料电池)、“锂离子电池”、银锌电池、纽扣电池等。

这些电池一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量(单位质量释放的能量)高等特点。

取材于这个知识点的试题，由于题材广，信息新，陌生度大，与课本知识相差甚远，设问中又突出迁移运用，所以，大多数考生对这类试题感到难，而难在何处又十分迷茫。

本文就为解决这个问题举例说明。

难点I ：新型电池“放电”时正极、负极的判断根据高中化学教科书上的知识，在原电池中，较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属材料作正极。

而在新型电池试题中，有时提供两个惰性电池(如“燃料电池”中的Pt 电极、石墨电极等)，有时提供一种较活泼的金属电极和另一种化合物电极，有时甚至不明确指出电极材料，针对这三种情况，如何准确快速判断电源的正负极，就成为学生破解电池类试题的关键。

突破方法1：综合课本知识，适当拓展，类比迁移先立足于课本知识的理解与综合运用。

以“Cu-Zn 原电池(稀硫酸溶液)”为例说明。

负极：较活泼的金属材料（Zn ），Zn 失去电子，Zn 元素化合价升高，发生氧化反应，电极反应为：+-=-2Zn e 2Zn 。

正极：较不活泼的金属材料（Cu ），Cu 的表面上+H （电解质中提供）得到电子，H 元素化合价降低，发生还原反应，电极反应是↑=+-+2H e 2H 2。

再进行拓展迁移。

在新型电池中，元素化合价升高的物质，是负极材料或在负极上发生氧化反应的物质。

元素化合价降低的物质或阳离子，是正极材料或是在正极上发生还原反应的物质（或阳离子）。

例1. （04年天津理综）下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是（ ）A. a 电极是负极B. b 电极的电极反应为：↑+=---22O O H 2e 4OH 4C. 氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D. 氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 解析：氢氧燃料电池的总化学方程式是：O H 2O H 2222=+，电池放电时，2H 失去电子，H 元素化合价升高，通入2H 的a 电极是负极。

2018高考化学最有效的解题方法难点23 燃料电池燃料电池两电极都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气，电极反应式的书写有难度。

●难点磁场请试做下列题目，然后自我界定学习本篇是否需要。

熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：负极反应式：2CO＋2CO-23−→−4CO2＋4e－正极反应式：。

总电池反应式：。

●案例探究[例题]某原电池中盛有KOH浓溶液，若分别向________(填“正”或“负”，下同)极通入可燃性气体，向________极通入O2，则电路中就有电流通过，试完成下列问题：(6)知识依托：原电池原理和氧化还原反应原理。

错解分析：忽视电解质溶液是KOH溶液，误以为负极能放出酸性气体。

解题思路：燃料电池中，负极通入的气体具有可燃性，在反应中失去电子，被氧化到较高价态：氢元素将被氧化到最高价：＋1价，在碱性溶液中产物不是H＋，而是H2O——H＋与OH－结合的产物。

H2S中硫元素，含碳物质中的碳元素将被氧化到＋4价，而＋4价的硫(或＋4价的碳)又不能单独存在，在其常见形式SO2和SO-23 (或CO2和CO-23)中，因周围环境显碱性生成酸性氧化物是不可能的，产物应为SO-23(或CO-23)，O2－由谁来提供？显然是OH－，提供O2－后裸离的H＋怎么办？与别的OH－结合生成H2O。

若燃料中含有＋1价的氢元素，则它反应前后的价态不变(都是＋1价)，氢元素反应前在含碳燃料中，反应后在生成物水中。

负极电极反应式可根据电荷守恒而配平。

燃料电池中，正极通入的O2得电子被还原，成为O2－。

O2－4e－====2O2－O2－被H2O分子俘获变为OH－：H2O＋O2－====2OH－将正、负两极电极反应式叠加，可得电池总反应。

根据电池总反应可判定电解质溶液pH的变化。

电化学是高中阶段的一个难点之一，尤其是电极反应式的书写，是学生很头疼的问题，其实，只要抓住问题的本质，理解问题的本质，所有的问题会很透明的呈现在眼前！学习电化学之前要明白以下几个问题：1：电流的方向，电子的流动方向。

2：单质以及离子的放电顺序（既是得失电子能力的强弱，或者说是氧化性还原性的强弱）。

3：得电子发生还原反应，失电子发生氧化反应。

4：离子共存问题。

也许会感到奇怪，怎么还会用到离子共存问题，主要是在写原电池的电极反应式的时候，要用到H+ 和OH-，这个时候要注意酸性溶液中不能出现OH-，碱性溶液中不能出现H+。

当然在具体书写电极式的时候要多方面的考虑，分别介绍如下：一、原电池电极反应式的书写原电池反应是能自发进行的氧化还原反应，两个电极反应，分别是氧化和还原半反应，关于电极反应式的书写是高中化学的难点，但是只要掌握最基础的定义，结合实例去理解记忆，书写电极反应式也不那么的难了！（一）原则：负极：失电子，发生氧化反应（一般是负极本身失电子）正极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在正极上得电子，但也可能是O2在正极上得电子（吸氧腐蚀），或正极本身得电子）总反应式（电池反应）=正极反应式+负极反应式对于可逆电池，一定要看清楚“充电、放电”的方向。

放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解池原理。

（二）具体分类判断1.第一类原电池：①两个活泼性不同的电极(金属与金属、金属与石墨碳棒、金属与难溶金属氧化物)；②电解质溶液，至少要能与一个电极发生有电子转移的氧化还原反应，一般是置换反应；③两电极插入电解质溶液中且用导线连接。

方法：先找出两极相对活泼性，相对活泼的金属作负极，负极失去电子发生氧化反应，形成阳离子进入溶液；较不活泼的金属作正极，溶液中原有的阳离子按氧化性强弱顺序在正极上得到电子还原反应，析出金属或氢气，正极材料不参与反应。

如：Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg。

但Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al（Mg与NaOH溶液不反应，Al是两性金属，可以与NaOH溶液反应）。

（9）化学能与电能—2025高考化学一轮复习易混易错专项复习一、燃料电池（以氢氧燃料电池为例）介质负极反应式正极反应式（1）燃料电池的负极是可燃性气体，失去电子发生氧化反应；正极多为氧气或空气，得到电子发生还原反应，可根据电荷守恒来配平。

（2）燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用。

（3）燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能生成OH−，碱性溶液中不能生成H+；水溶液中不能生成O2−，而熔融电解质中O2被还原为O2−。

（4）正负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应。

二、电解池阴、阳两极的放电顺序(1)阳极放电顺序活性电极(Zn、Fe、Cu等)：电极材料失电子；惰性阳极(Pt、Au、石墨等)：S2>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根。

(2)阴极放电顺序Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸中)>Fe2＋>Zn2＋。

【深化提高】以惰性电极电解电解质溶液的规律三、电解原理的应用1、电解饱和食盐水（氯碱工业）阳极反应式：2Cl －－2e －===Cl 2↑(氧化反应) 阴极反应式：2H ＋＋2e －===H 2↑(还原反应)总反应方程式：2NaCl ＋2H 2O 2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑ 2、电解精炼铜(1)电极材料：阳极为粗铜；阴极为纯铜。

(2)电解质溶液：含Cu 2＋的盐溶液。

=====电解(3)电极反应：阳极：Zn －2e －===Zn 2＋、Fe －2e －===Fe 2＋、Ni －2e －===Ni 2＋、Cu －2e －===Cu 2＋； 阴极：Cu 2＋＋2e －===Cu 。

(4)阳极泥的形成：在电解过程中，活动性位于铜之后的银、金等杂质，难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。

3、电镀图为金属表面镀银的工作示意图，据此回答下列问题： (1)镀件作阴极，镀层金属银作阳极。

难点23 燃料电池燃料电池两电极都不参加反映，反映的是通到电极上的燃料和氧气，电极反映式的书写有难度。

●难点磁场请试做下列题目，然后自我界定学习本篇是不是需要。

熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因此受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反映式：负极反映式：2CO＋2CO-23−→−4CO2＋4e－正极反映式：。

总电池反映式：。

●案例探讨[例题]某原电池中盛有KOH浓溶液，若别离向________(填“正”或“负”，下同)极通入可燃性气体，向________极通入O2，则电路中就有电流通过，试完成下列问题：可燃性气体正极反应负极反应电池总反应pH变化(1)H2( 2)H2 S( 3)C O( 4)C H4( 5)C2 H4( 6)C2 H2命题用意：考查学生书写燃料电池电极反映的能力。

知识依托：原电池原理和氧化还原反映原理。

错解分析：轻忽电解质溶液是KOH溶液，误以为负极能放出酸性气体。

解题思路：燃料电池中，负极通入的气体具有可燃性，在反映中失去电子，被氧化到较高价态：氢元素将被氧化到最高价：＋1价，在碱性溶液中产物不是H＋，而是H2O——H＋与OH－结合的产物。

H2S中硫元素，含碳物质中的碳元素将被氧化到＋4价，而＋4价的硫(或＋4价的碳)又不能单独存在，在其常见形式SO2和SO-23(或CO2和CO-23)中，因周围环境显碱性生成酸性氧化物是不可能的，产物应为SO-23(或CO-23)，O2－由谁来提供？显然是OH－，提供O2－后裸离的H＋怎么办？与别的OH－结合生成H2O。

若燃料中含有＋1价的氢元素，则它反映前后的价态不变(都是＋1价)，氢元素反映前在含碳燃料中，反映后在生成物水中。

负极电极反映式可按照电荷守恒而配平。

燃料电池中，正极通入的O2得电子被还原，成为O2－。

O2－4e－====2O2－O2－被H2O分子俘获变成OH－：H2O＋O2－====2OH－将正、负两极电极反映式叠加，可得电池总反映。

重视学科基本素养突破原电池教学难点化学学科素养是化学知识的积累，基本原理的理解，科学的思维品质，化学学习的方法和习惯，实验和实践能力的综合体，其基本素养是指知识视野、理性分析、情感态度、科学精神等内容，而作为高中化学基本理论的重要组成部分，原电池教学由于其理论的抽象性和应用的综合性，学生难以理解、掌握和应用，问题的根本原因与学生接触到的学习内容与原有认知水平不和谐、不平衡有关，因此，对于高中化学原电池教学，教师可以结合化学学科的特点，从基本的学科素养出发，大胆而合理地处理教材，多角度地设计一些难易适当和有助于学生形成“心求通而未得”的问题，可以有效地激发学生的思维活动，提升教学质量。

一、从反应能量变化认识原电池本质化学反应伴随着能量变化是贯穿高中化学教学的主线之一，也是一个基本的科学常识，教学中，如果能将这一常识有层次地加以演绎发展，可以使学生深刻地认识和理解电池本质，首先设计一个实验装置：分别将铜片与锌片插入同一稀硫酸溶液，实验结果为铜片上无现象，锌片上产生气泡(氢气)且锌片微热，结论为锌与稀硫酸反应生成氢气且反应放热；其次对实验装置稍加改动，用导线连接铜片和锌片，实验结果为铜片上产生气泡，而锌片上无气泡，此时，尽管无法解释此现象，但仍可得出结论为存在化学反应且必然伴随能量变化；最后对实验装置再作改动，在连接铜片和锌片的导线中间加入灵敏电流表，实验结果为铜片上产生气泡，而锌片上无气泡，且灵敏电流表指针偏转，自然地，结论为有电子通过该装置，产生了电流，并且将反应产生的化学能转化为电能，由此学生就可以展开联想，如果将小灯泡代替灵敏电流表，则灯泡发亮，即化学能转化为光能……，进一步思考，学生还可以发现：聪明的科学先贤就是利用了通过其间的电流而扩展其功能为人类服务，至此，学生对于原电池的本质(一种把化学能转化为电能的装置)的认识就水到渠成了。

化学实验中丰富的大量的感性材料，是认识化学反应的本质并上升为理论的重要依据；同时，学生对感性材料的理解越深入到位，越有助于抽象思维，故教师应尽可能创设有利于学生形象思维的原电池教学情景，另一方面，紧扣原电池教学的本质，有层次地设计相连的问题情景，然后引导学生分析、评价、推理和自我调整，学生的思维随着生成性问题的逐步展开达到亢奋活跃的状态，形成教学气氛的高潮，身处这种环境中的学生就能保持一种良好的精神状态，主动积极地探索问题，并迅速准确地掌握知识技能。

高二常见的燃料电池知识点燃料电池是一种利用氢气（或其他可燃气体）和氧气反应产生电能的装置。

随着环境污染和能源危机的加剧，燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，受到了越来越多的关注。

本文将介绍高二学生常见的燃料电池知识点。

一、燃料电池的原理燃料电池通过氧化还原反应将燃料气体中的氢原子从电子中解离出来，进而产生电能和水。

其中，氢气在阴极（负极）催化剂的作用下，将电子电荷释放出来，形成氢离子，并通过电解质传递到阳极（正极）。

而氧气在阳极催化剂的作用下，吸收电子，并与氢离子结合形成水。

这种氧化还原反应产生的电子流经外部电路产生电流，从而驱动电子设备工作。

二、燃料电池的种类1. PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，质子交换膜燃料电池）：使用质子交换膜作为电解质，主要应用于汽车等移动电源领域。

2. SOFC（Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池）：使用固态电解质，可以利用多种燃料，适用于工业领域。

3. DMFC（Direct Methanol Fuel Cell，直接甲醇燃料电池）：使用甲醇直接作为燃料，广泛应用于便携式电子设备。

三、燃料电池的优点和应用1. 高效清洁：燃料电池的能量转换效率高达60%-70%，不产生二氧化碳等有害气体，对环境友好。

2. 灵活性强：燃料电池可以使用多种燃料，如氢气、甲醇等，为能源的多样化提供了可能。

3. 应用广泛：燃料电池可以用于汽车、船舶、飞机等交通工具，也可以作为家庭和工业的备用电源。

四、燃料电池的挑战和发展1. 储氢问题：氢气的储存是燃料电池面临的主要挑战之一，目前尚未找到经济、高效的储氢方法。

2. 催化剂成本高：燃料电池中的催化剂通常采用贵金属，如铂，造成成本较高。

3. 市场推广：燃料电池技术虽然已有长足的进展，但在商业化方面仍面临一些困难，需要政府和企业的支持。

五、燃料电池的未来发展趋势1. 催化剂研究：寻找替代贵金属催化剂，开发更经济、高效的催化剂材料，降低成本。