- 化学能与电能
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空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池（RFC），RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池．如图为RFC工作原理示意图．下列有关说法正确的是（ ）
正确答案
电解池中的电极反应为：b电极为阳极失电子发生氧化反应：4OH--4e-=2H2O+O2↑；a电极为阴极得到电子发生还原反应：4H++4e-=2H2↑；
原电池中是酸性溶液，电极反应为：d为负极失电子发生氧化反应：2H2-4e-=4H+；c电极为正极得到电子发生还原反应：O2+4H++4e-=2H2O；
A、阳极电极反应计算，当有0.1 mol电子转移时，a电极产生1.12LH2 故A错误；
B、b电极上发生的电极反应是4OH--4e-=2H2O+O2↑；故B错误；
C、c电极上进行还原反应，B池中的H+可以通过隔膜进入A池，故C正确；
D、d电极上发生的电极反应是：2H2-4e-=4H+；故D错误；
故选C．
工业上合成氨在一定条件下进行如下反应：N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-92.44kJ/mol．其部分工艺流程如图1所示：
（1）合成氨所需要的原料气中，氮气取自______，氢气来源于______．
（2）对原料气进行净化处理的目的是______．
（3）设备A的名称是______，设备B的名称是______．
（4）在20～50Mpa时，工业合成氨选择在400-500℃的温度进行反应，主要原因是______．
（5）据《科学》杂志报道，希腊化学家在常压下将氢气和用氢气稀释的氮气分别通入一个加热到570℃的电解池（如图2）中，氢和氮在电极上合成了氨，且转化率达到了78%．则：阳极反应为______，阴极反应为______．
正确答案
（1）根据工业生产中，氮气来自空气，氢气来自水和碳氢化合物，故答案为：空气；水和碳氢化合物；
（2）工业上在合成氨的过程中，必须对原料进行净化，防止催化剂铁触媒中毒，而减小催化活性，故答案为：防止催化剂中毒；
（3）合成氨的设备依次有：压缩机、合成塔、冷凝器、氨分离器、循环压缩机，故答案为：冷凝器；循环压缩机；
（4）合成氨的过程中，为保障反应速率和限度较大、催化剂的活性大，要选择适宜的温度400-500℃，故答案为：此温度下催化剂的活性大；
（5）氢和氮在电极上合成了氨的电解池中，阳极是氢气发生失电子的氧化反应，即H2-2e-═H2↑，阴极是氮气发生得电子的还原反应，即N2+6e-+6H+═2NH3，故答案为：H2-2e-═2H+；N2+6e-+6H+═2NH3．
航天技术上使用的氢-氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环境等优点．氢-氧燃料电池有酸式、碱式和非水种，它们放电时的电池总反应方程式均可表示为：2H2+O2=2H20．
（1）酸式氢-氧燃料电池中的电解质是酸，其负极反应可表示为：2H2-4e-=4H+，其正极反应表示为______；
（2）碱式氢-氧燃料电池中的电解质是碱，其正极反应表示为：O2+2H20+4e-=40H-，其负极反应可表示为______；
（3）非水电解质是掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导O2-，其负极反应可表示为：2H2+2O2--4e-=2H20，其正极反应表示为______．
（4）非水电解质是掺杂K2CO3晶体，在熔融状态下能传导CO32-，其正极反应可表示为：O2+2CO2+4e-=2C032-，其负极反应表示为______．
正确答案
（1）酸式氢-氧燃料电池中，正极发生还原反应生成H2O，总反应式减负极反应可到正极反应式为O2+4H++4e-=2H2O，
故答案为：O2+4H++4e-=2H2O；
（2）碱式氢-氧燃料电池中，负极发生氧化反应，总反应式减正极反应得到负极反应式为2H2+40H-4e-=4H2O，
故答案为：2H2+40H-4e-=4H2O；
（3）正极发生还原反应，O2得电子生成O2-，电极反应式为O2+4e-=2O2-，故答案为：O2+4e-=2O2-；
（4）负极发生氧化反应，H2得电子，生成物为H2O和CO2，电极反应式为2H2+2CO32--4e-=2H2O+2CO2，
故答案为：2H2+2CO32--4e-=2H2O+2CO2．
航天技术上使用的氢-氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环境等优点．氢-氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的电池总反应式可表示为2H2+O2=2H2O．酸式燃料电池的电解质是酸，其负极反应可表示为：2H2-4e-=4H+，则其正极反应式可表示为：______；放电一段时间后电解质溶液的pH将______（填“变大、变小、不变”）碱式氢-氧燃料电池中的电解质是碱，其正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH-，则其负极反应可表示为：______．
正确答案
（1）该反应中氢气失电子被氧化，氢气失电子生成氢离子，所以电极反应式为2H2-4e-═4H+
②氧气得电子被还原，氧气得电子和溶液中的氢离子生成水，所以电极反应式为O2+4H++4e-═2H2O；
③随着反应的进行，生成的水越来越多，溶质硫酸的量不变，所以导致溶液的浓度降低，所以溶液的PH值增大．
故答案为：O2+4H++4e-═2H2O；变大．
（2）①该反应中氢气失电子被氧化，氢气失电子生成氢离子，氢离子和溶液中的氢氧根离子生成水，所以电极反应式为2H2+4OH--4e-=4H2O．
②氧气得电子被还原，氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，所以电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-．
故答案为：2H2+4OH--4e-=4H2O．
甲烷燃料电池是使用气体燃料和氧气直接反应产生电能，一种很有前途的能源利用方式，它的优势在于______．KOH溶液为介质的甲烷燃料电池中，甲烷为______极，空气极的电极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH-，则甲烷极的电极反应式______．
正确答案
氧化碳排放量比一般方法低许多，水又是无害的产生物，是一种低污染性的能源．效率高、污染低；电池的电池反应式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O，溶液由碱溶液变成盐溶液，燃料在负极上失电子发生氧化反应，甲烷燃烧能生成二氧化碳和水，二氧化碳和氢氧化钾反应生成碳酸钾，O2+2H2O+4e-=4OH-，所以电极反应式为：CH4+10OH--8e-═CO32-+7H2O；
故答案为：效率高、污染低；负极；CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O．
（Ⅰ）原电池是一种将______能转化为电能的装置．如图所示的原电池中，锌片上发生______反应（填“氧化”或“还原”）．
（Ⅱ）Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器．该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4-SOCl2．电池的总反应可表示为：4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2．请回答下列问题：
（1）电池的负极材料是______
（2）电池正极发生的电极反应为______；
（3）组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是______．
（4）SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，生成Na2SO3和NaCl． 如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是______，反应的化学方程式为______．
正确答案
（Ⅰ）原电池是把化学能转变成电能的装置；该原电池中锌片作负极，负极上失电子，发生氧化反应．
故答案为：化学； 氧化；
（Ⅱ）（1）锂的活泼性大于碳的，所以锂作负极．
故答案为：锂；
（2）正极上得电子发生还原反应，根据反应方程式知，SOCl2得电子生成Cl-、S、SO2．
故答案为：2SOCl2+4e-=4Cl-+S+SO2
（3）锂和钠是同一主族的元素，性质具有相似性，钠和空气中的氧气、水蒸气反应，所以锂和空气中的氧气、水蒸气也能反应；SOCl2也可与水反应，所以组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行．
故答案为：锂是活泼金属，易与H2O、O2反应；SOCl2也可与水反应．
（4）由NaOH和SOCl2生成Na2SO3和NaCl两种盐知，SOCl2和水生成酸或酸性氧化物，根据原子守恒得，SOCl2和水生成
SO2和HCl，二氧化硫有刺激性气味，HCl遇水蒸气形成小液滴出现白雾，所以实验现象是出现白雾，有刺激性气体生成．
故答案为：出现白雾，有刺激性气体生成； SOCl2+H2O=SO2↑+2HCl↑．
新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质为KOH溶液．某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示．
回答下列问题：
（1）甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为 、 ．
（2）闭合K开关后，a、b电极上均有气体产生．其中b电极上得到的是 ，电解氯化钠溶液的总反应方程式为 ；
（3）若每个电池甲烷通如量为1L（标准状况），且反应完全，则理论上通过电解池的电量为 （法拉第常数F=9.65×l04C?mol-1列式计算），最多能产生的氯气体积为 L（标准状况）．
正确答案
（1）被誉为改变未来世界的十大新科技之一的燃料电池具有无污染、无噪音、高效率的特点．如图为氢氧燃料电池的结构示意图，电解质溶液为KOH溶液，电极材料为疏松多孔石墨棒．当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可在闭合回路中不断地产生电流．试回答下列问题：
①图中通过负载的电子流动方向______（填“向左”或“向右”）．
②写出氢氧燃料电池工作时电极反应方程式
正极：______，
负极：______，
（2）在由铜片、锌片和200ml稀硫酸组成的原电池中，若H2只在铜片上产生，当在铜片上放出4.48L（标准状况）的H2时，硫酸恰好用完，则产生这些气体消耗的锌为______g，在导线上有______mol电子通过，原稀硫酸的物质的量浓度是______．
正确答案
（1）①根据原电池工作原理，负极上失电子，电子从负极沿外电路流向正极，所以通过负载的电子流动方向是向右．故答案为：向右；
②正极上氧气得电子和水生成氢氧根离子，发生还原反应，所以电极反应式为2H2O+O2+4e-═4OH-；负极上失电子和氢氧根离子反应生成水，所以电极反应式为2H2+4OH--4e-═4H2O；两极上的电极反应式相加得总反应方程式，所以总反应方程式为2H2+O2═2H2O，故答案为：2H2O+O2+4e-═4OH-；2H2+4OH--4e-═4H2O；
（2）Zn+H2SO4 =ZnSO4 +H2↑
65g 22.4L
13g 4.48L
（2）Zn+H2SO4 =ZnSO4 +H2↑ 转移电子
22.4L 2 mol
4.48L 0.4mol
故答案为0.3；
（3）Zn+H2SO4 =ZnSO4 +H2↑
1mol 22.4L
0.2mol 4.48L
溶液中硫酸的物质的量为0.2mol；
所以稀硫酸的物质的量浓度C=
故答案为：13、0.4、1mol/L．
新型锂离子电池在新能源的开发中占有重要地位，可用作节能环保电动汽车的动力电池．磷酸亚铁锂（LiFePO4）是新型锂离子电池的首选电极材料，它的制备方法如下：
方法一：将碳酸锂、乙酸亚铁[（CH3COO）2Fe]、磷酸二氢铵按一定比例混合、充分研磨后，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂，同时生成的乙酸及其它产物均以气体逸出．
方法二：将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液，以铁棒为阳极，石墨为阴极，电解析出磷酸亚铁锂沉淀．沉淀经过滤、洗涤、干燥，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂．
在锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一（用M表示）的结构简式如下：
请回答下列问题：
（1）上述两种方法制备磷酸亚铁锂的过程都必须在惰性气体氛围中进行．其原因是______．
（2）在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、乙酸外，还有______、______、______（填化学式）生成．
（3）在方法二中，阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应式为______．
（4）写出M与足量氢氧化钠溶液反应的化学方程式：______．
（5）已知该锂离子电池在充电过程中，阳极的磷酸亚铁锂生成磷酸铁，则该电池放电时正极的电极反应式为______．
正确答案
（1）亚铁离子具有强还原性，制备磷酸亚铁锂的过程都必须在惰性气体氛围中进行，其原因是为了防止亚铁化合物被氧化，故答案为：为了防止亚铁化合物被氧化；
（2）将碳酸锂、乙酸亚铁、磷酸二氢铵在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂、乙酸及其它产物均以气体逸出．根据题意和元素守恒，可得其他产物为：CO2、H2O和NH3，故答案为：CO2；H2O；NH3；
（3）将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液，以铁棒为阳极，石墨为阴极，电解析出磷酸亚铁锂沉淀．阳极铁失电子生成磷酸亚铁锂，电极反应式为Fe+H2PO4-+Li+-2e-=LiFePO4+2H+，
故答案为：Fe+H2PO4-+Li+-2e-=LiFePO4+2H+；
（4）M具有酯基，在碱性条件下可发生水解，M与足量氧化钠溶液反应的化学方程式：
，
故答案为：
；
（5）锂离子电池在充电过程中，阳极的磷酸亚铁锂生成磷酸铁，电极反应为LiFePO4═FePO4+Li++e-，该电池放电时，正极发生还原反应，与充电时的阳极反应相反，电极反应式为
FePO4+Li++e-═LiFePO4，故答案为：FePO4+Li++e-═LiFePO4．
以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的结构如图所示．
回答下列问题：
（1）该燃料电池的能量转化主要形式是______；在导线中电子流动方向是______（用a、b表示）．
（2）该电池负极反应式是：______．
（3）葡萄糖分子中含有的官能团是：______．
该电池能否在高温下工作？理由是：______．
（4）该电池放电过程中，H+离子从______（填“正”或“负”）极区向______（填“正”或“负”）极区迁移．
（5）在该电池反应中，每消耗1molO2，理论上能生成标准状况下的CO2______L．
正确答案
（1）原电池是将化学能转变为电能的装置，工作时电子由负极经外电路流向正极，由图示可知，通入葡萄糖的一极为原电池的负极，发生氧化反应，
故答案为：由化学能转变为电能；由b到a；
（2）葡萄糖在负极失电子而被氧化，电极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+，
氧气在正极得电子而被还原，正极反应为602+24H++24e-=12H2O，
故答案为：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2↑+24H+；
（3）葡萄糖为还原性糖，分子中含有羧基和醛基，由于是微生物燃料电池，则不可能在高温下工作，否则高温能使微生物蛋白质凝固变性，
故答案为：羟基、醛基；不能，高温能使微生物蛋白质凝固变性；
（4）原电池工作时，电解质中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，从而形成闭合回路，放电过程中，H+从负极区向正极区迁移，结合OH-形成H2O，
故答案为：负；正；
（5）正极反应为602+24H++24e-=12H2O，
消耗1mol氧气则转移4mole-，
由C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+计算出：
转移4mole-则生成1molCO2，即22.4L，
故答案为：22.4．
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