广西学大教育南宁分校高二暑期课程研发说明个性化学案(含解析):第十讲 化学电源:原电池、二次电池及燃料电池

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广西学大教育南宁分校高二暑期课程研发说明个性化学案(含解析):第十讲 化学电源:原电池、二次电池及燃料电池

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第十讲
化学电源:原电池、二次电池及燃料电池
适用学科
化学
适用年级
高二
适用区域
全国
本讲时长
120min
知识点
1.原电池2.一次电池和二电次池3.燃料电池
教学目标
1.掌握原电池、一次电池和二次电池和燃料电池工作原理2.会书写电池的电极反应式和电池反应方程式
教学重难点
1.电池的工作原理2.电极反应式的书写
教学过程
一、复习预习
”电“的确是一件很奇妙的”事物“,在我们的日常生活中电池几乎无处不在:手机、遥控器、电动车、甚至是汽车都要用到各式各样的电池,本次课开始,我们将进入电化学的学习中。我们将要学习常见的一次电池、二次电池以及新型的燃料电池的工作原理及电极反应式的书写。
二、知识讲解
考点
1
原电池
瞧!我们的橙子多能干,不仅能为人体提供维生素,还能发电呢!
思考:上述的水果中为什么会产生电流呢?
以铜、锌原电池为例
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1.定义:原电池是利用氧化还原反应原理将
化学能
转化
电能
的装置。
2.装置:(观察电子和电流的流向)
3.电极反应
锌片负极,发生氧化反应电极反应式:Zn-2e-===Zn2+
铜片正极,发生还原反应电极反应式:Cu2++2e-===Cu
总电极反应式为:Cu2++Zn===Cu+Zn2+
4.构成条件
两个活泼性不同的电极,较活泼的做负极;电解质溶液;形成闭合回路;能自发地发生氧化还原反应
思考:(1)原电池的两电极必须是金属吗?
(2)Cu与稀H2SO4能否设计成原电池?
考点
2
一次电池和二次电池
1.一次电池(碱性锌锰电池)
(1)构成:负极Zn,正极MnO2,电解质KOH。(2)电极反应:负极:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极:2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2
2.二次电池(蓄电池)
(1)构成:负极Pb、正极PbO2,电解质H2SO4溶液
(2)工作原理
①放电:负极:Pb(s)+SO(aq)-2e-===PbSO4(s)
正极:PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)
总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)
②充电时
铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。
阴极:PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO(aq);
阳极:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq);
总反应:2PbSO4(s)+2H2O(l)===Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。
上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
考点
3
燃料电池
(1)工作原理
①连续地将燃料(如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体)和氧化剂的化学能直接转换成电能。
②电极材料本身不发生氧化还原反应。
③工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排除。
(2)氢氧燃料电池
①电极材料Pt,酸性电解质。
②电极反应:负极:H2-2e-===2H+
正极:O2+2H++2e-===H2O
总反应:H2+O2===H2O
考点4
电极反应式的书写方法
1.
原电池或一次电池及燃料电池等电极反应式的书写。
负极:活泼金属或H2失去电子生成阳离子,若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存,则该阴离子应写入负极反应式。如铅蓄电池,负极:Pb+SO-2e-===PbSO4。
正极:阳离子得到电子生成单质,或O2得到电子。若反应物是O2,则:
电解质是碱性或中性溶液:O2+2H2O+4e-===4OH-。
电解质是酸性溶液:O2+4H++4e-===2H2O。
正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。
2.给出总反应式,写电极反应式
分析反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)→选择一个简单的变化情况去写电极反应式→另一极的电极反应直接写出或将各反应式看作数学中的代数式,用总反应式减去已写出的电极反应式,即得结果
以2H2+O2=2H2O为例,当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤如下:
(1)根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况,确定2
mol
H2失掉4
mol电子,初步确定负极反应式为2H2-4e-===4H+。
(2)根据电解质溶液为碱性,与H+不能共存,反应生成水,推出OH-应写入负极反应式中,故负极反应式为2H2+4OH--4e-===4H2O。
(3)用总反应式2H2+O2===2H2O减去负极反应式得正极反应式:2H2O+O2+4e-===4OH-。
3.可充电电池电极反应式的书写
在书写可充电电池电极反应式时,要明确电池和电极,放电为原电池,充电为电解池。
(1)原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应,对应元素化合价升高。
(2)原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应,对应元素化合价降低。
书写电极反应式应注意电解质溶液的影响。
(1)中性溶液反应物中无H+或OH-。
(2)酸性溶液反应物,生成物均无OH-。
(3)碱性溶液反应物,生成物中均无H+。
(4)水溶液不能出现O2-。
三、例题精析
【例题1】有如图所示的两个原电池装置,下列说法不正确的是(  )
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A.A池中负极的电极反应为Mg-2e-===Mg2+
B.Mg在A池中为负极,在B池中为正极
C.B池中电子的流向:Mg→Al
D.原电池工作一段时间后,A池溶液的pH会增大
【答案】 C
【解析】 判断原电池正负极,除考虑活泼性还要注意电解质溶液对正负极的影响。对于稀硫酸来说,镁是比铝更活泼的金属;但对于氢氧化钠溶液来说,铝是比镁更活泼的金属,所以A池中镁是负极,B池中铝是负极,B对;A池中电极反应为Mg-2e-===Mg2+,A对;B池中电子流向为Al→Mg,C项错。A池中正极2H++2e-===H2↑,随着反应进行,c(H+)减少,pH增大,D对。
【例题2】(1)今有2H2+O2=====2H2O反应,构成氢氧化钾碱性燃料电池,则负极通的应是________,正极通的应是______,电极反应式分别为______________、______________。
(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液,则电极反应式为__________________、_____________________。(1)和(2)的电解液不同,反应进行后,其溶液的pH各有何变化?
___________________。
(3)如把H2改为甲烷、KOH作导电物质,则电极反应式为:________________、_______。
【答案】(1)H2 O2 负极:2H2+4OH--4e-===4H2O
正极:O2+2H2O+4e-===4OH-
(2)负极:2H2-4e-===4H+ 正极:O2+4H++4e-===2H2O (1)变小,(2)变大
(3)负极:CH4+10OH--8e-===CO+7H2O
正极:2O2+4H2O+8e-===8OH-
【解析】 根据电池反应式可知H2在反应中被氧化,O2被还原,因此H2应在负极上反应,O2应在正极上反应。又因为是碱性溶液,此时应考虑不可能有H+参加或生成,故负极反应为:2H2+4OH--4e-===4H2O,正极反应为:O2+2H2O+4e-===4OH-。若将导电物质换成酸性溶液,此时应考虑不可能有OH-参加或生成,故负极:2H2-4e-===4H+,正极:O2+4H++4e-===2H2O。由于前者在碱性条件下反应KOH量不变,但工作时H2O增多故溶液变稀碱性变小,pH将变小。而后者为酸溶液,H2SO4量不变,水增多,溶液酸性变小,故pH将变大。如把H2改为甲烷用KOH作导电物质,根据反应CH4+2O2===CO2+2H2O,则负极为发生氧化反应的CH4,正极为发生还原反应的O2,由于有KOH存在,此时不会有CO2放出。
【例题3】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点,故得到广泛应用。锌锰碱性电池以KOH溶液为电解液,电池总反应式为Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O(l)===Zn(OH)2(s)+2MnOOH(s)
下列说法错误的是(  )
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为:2MnO2(s)+2H2O(l)+2e-===2MnOOH(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路中每通过0.2
mol电子,锌的质量理论上减小6.5
g
【答案】 C
【解析】 根据题意,该电池的负极材料是锌。电池工作时,锌本身失去电子而发生氧化反应,失去的电子通过外电路移向另一极(正极)。在该电极上,MnO2获得电子发生还原反应生成MnOOH:2MnO2+2e-====2MnOOH。从元素守恒的角度来看,右侧还多2个氢。在碱性溶液中不出现H+,故正极反应为2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-。反应中,失去0.2
mol电子,消耗掉0.1
mol锌,质量为6.5
g。
四、课堂运用
【基础】
1.有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,A为负极;
②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,电流由D→导线→C;
③A、C相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,C极产生大量气泡;
④B、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,D极发生氧化反应。据此,判断四种金属的活动性顺序是(  )
A.A>B>C>D   
 B.A>C>D>B
C.C>A>B>D
D.B>D>C>A
【答案】 B
【解析】 金属与稀硫酸溶液组成原电池,活泼金属为负极,失去电子发生氧化反应,较不活泼的金属为正极,H+在正极表面得到电子生成氢气,电子运动方向由负极到正极。题中由①知A>B;由②知C>D;由③知A>C;由④知D>B。综合以上信息可知金属活动性A>C>D>B。
2.下图中能组成原电池产生电流的是(  )
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【答案】 B
【解析】 A、D两项中电极与电解质溶液之间不发生反应,不能构成原电池。B项符合原电池的三个构成条件,且Zn能与H2SO4溶液反应,两电极发生的反应分别是Zn-2e-===Zn2+,2H++2e-===H2↑。C项中酒精不是电解质,故不是原电池。
3.固体氧化物燃料电池是由美国西屋(Westinghouse)公司研制开发的。它以固体氧化锆一氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(  )
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A.有O2放电的a极为电池的负极
B.有H2放电的b极为电池的正极
C.a极对应的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-
D.该电池的总反应方程式为2H2+O22H2O
【答案】 D
【解析】 固体介质允许O2-通过,说明为非水体系,因此C项中a极反应式不正确,这种表达是水溶液中进行的反应,a极反应式应该是:1/2O2+2e-===O2-,b极反应:H2-2e-===2H+,总反应方程式是H2+1/2O2
H2O。
4.关于铅蓄电池的说法正确的是(  )
A.在放电时,正极发生的反应是:Pb(s)+SO(aq)===PbSO4(s)+2e-
B.在放电时,该电池的负极材料是铅板
C.在充电时,电池中硫酸的浓度不断变小
D.在充电时,阳极发生的反应是:PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO(aq)
【答案】 B
【解析】 A项中电池放电时正极应发生还原反应,电极反应为:
PbO2+4H++SO+2e-===PbSO4+2H2O;C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大;D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
【巩固】
1.下列有关电池的说法不正确的是(  )
A.手机上用的锂离子电池属于二次电池
B.铜锌原电池工作时,电子沿外电路从铜电极流向锌电极
C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
D.锌锰干电池中,锌电极是负极
【答案】 B
【解析】 锂离子电池可以充电,再次使用,属于二次电池,A项正确;铜锌原电池中铜为正极,故电流从铜电极流向锌电极,而电子是由锌电极流向铜电极,B项错;电池的实质即是化学能转化成电能,C项正确;Zn失去电子生成Zn2+,故作为负极,D项正确。
2.茫茫黑夜中,航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt Fe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中(  )
①铝合金是阳极 ②铝合金是负极 ③海水是电解液
④铝合金电极发生还原反应
A.②③       
 B.②④
C.①②
D.①④
【答案】 A
【解析】 较活泼的铝合金为负极(②对)。Pt Fe合金网为正极,海水是电解液(③对)。负极上发生氧化反应(④错)。
3.关于铅蓄电池的说法正确的是(  )
A.在放电时,正极发生的反应是:Pb(s)+SO(aq)===PbSO4(s)+2e-
B.在放电时,该电池的负极材料是铅板
C.在充电时,电池中硫酸的浓度不断变小
D.在充电时,阳极发生的反应是:PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO(aq)
【答案】 B
【解析】A项中电池放电时正极应发生还原反应,电极反应为:PbO2+4H++SO+2e-===PbSO4+2H2O;C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大;D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
【拔高】
1.某高二化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中的作用,设计并进行了以下一系列实验,实验结果如下。试根据下表中的实验现象回答下列问题:
编号
电极材料
电解质溶液
电流计指针偏转方向
1
Mg、Al
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、石墨
稀盐酸
偏向石墨
4
Mg、Al
NaOH
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
(1)实验1、2中Al所作的电极是否相同?
(2)写出实验3中的电极反应式和电池总反应方程式。
(3)实验4中Al作正极还是作负极?为什么?写出Al电极的电极反应式。
(4)解释实验5中电流计指针偏向Al的原因。
(5)根据实验结果总结:在原电池中金属铝作正极还是作负极受到哪些因素的影响?
【答案】 (1)不同;(2)Al为负极:Al-3e-===Al3+,石墨为正极:2H++2e-===H2↑,2Al+6H+===2Al3++3H2↑;(3)Al作负极,因为Al能与NaOH溶液反应而Mg不能与NaOH溶液反应,Al+4OH--3e-===AlO+2H2O;(4)实验5中由于Al在浓硝酸中发生钝化,所以Zn为负极;(5)与另一电极材料的活泼性、电解质溶液的酸碱性以及电解质溶液的氧化性强弱等因素有关。
【解析】思路点拨:本题学生易只考虑活泼性强的作原电池负极,而易忽略原电池必须是自发的氧化还原反应。一般情况下,较活泼的金属作原电池的负极,根据实验1、2的结果,自然得出1中Al作正极,2中Al作负极。在NaOH溶液中,Al比Mg活泼,作负极。在浓硝酸中由于Al发生钝化,Zn作负极。
2.科学家预言,燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径,美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨化为电极催化剂,在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇,同时向一个电极通入空气。回答下列问题:
(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式是_____________________________。
(2)此电池的正极发生的电极反应式是________,负极发生的电极反应式是__________。
(3)电解液中的H+向________极移动,向外电路释放电子的电极是________。
(4)比起直接燃烧燃料产生电力,使用燃料电池有许多优点,其中主要有两点:首先是燃料电池的能量转化效率高,其次是________。
【答案】(1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
(2)3O2+12H++12e-===6H2O 2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+(3)正 负极 (4)对环境无污染
【解析】 甲醇燃料电池实质就是利用CH3OH燃料在氧气中反应来提供电能。CH3OH在负极发生氧化反应,电极反应式为2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+;氧气在正极反应:3O2+12H++12e-===6H2O,两反应式相加即得总反应式。在电池中,负极释放出电子移动到正极上,故向外电路释放电子的电极为负极。在原电池的内电路中,阳离子向正极移动,故H+向正极移动。甲醇反应产物为CO2和H2O,对环境无污染。
课程小结
本堂课主要进行了原电池和化学电源的工作原理
课后作业
【基础】
1.由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。
装置
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现象
金属A不断溶解,生成二价离子
C的质量增加
A上有气泡产生
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应式是_________________________。
(2)装置乙中正极的电极反应式_________________________。
(3)装置丙中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是_____________________________。
【答案】 (1)A-2e-===A2+(2)Cu2++2e-===Cu(3)变大 (4)D>A>B>C
【解析】 甲、乙、丙均为原电池装置,依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活泼性:A>B,乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活泼性:B>C,丙中A上有气体即H2产生,则A为正极,活泼性:D>A,随着H+的消耗,pH变大。
2.下列说法正确的是(  )
A.原电池是把电能转化为化学能的装置
B.原电池中电子流出的一极是正极,发生氧化反应
C.原电池的两极发生的反应均为氧化还原反应
D.形成原电池后,原电池中的阳离子向正极移动
【答案】 D
【解析】 原电池是把化学能转化为电能的装置,电子流出的一极是负极,负极发生氧化反应,电解质溶液中的阴离子向负极移动;电子流进的一极是正极,正极发生还原反应,电解质溶液中的阳离子向正极移动。
3.电池是人类生产和生活中的重要能量来源,各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是(  )
A.锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B.氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能
C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
【答案】 C
【解析】 因为锌锰干电池中锌棒为负极,锌棒变细,碳棒不变,故A错;原电池是将化学能直接转变为电能,所以B错;氢氧燃料电池负极反应为H2-2e-===2H+,所以C正确;太阳能电池的主要材料是硅,D错。
4.铅蓄电池是化学电源,其电极材料分别是Pb和PbO2,电解质为稀硫酸,工作(放电)时该电池的总反应:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。试根据上述情况判断:
(1)蓄电池的负极材料是________。
(2)工作时,正极反应为_______________________________________________。
(3)工作时,电解质溶液的pH________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(4)工作时,电解质溶液中阴离子移向________极。
(5)电流方向从________极流向________极。
【答案】(1)Pb
(2)PbO2+SO+4H++2e-===PbSO4+2H2O
(3)增大 (4)负 (5)正 负
【解析】 蓄电池工作时,起原电池作用,题中各小题概括叙述了蓄电池放电时所涉及的各个方面。根据原电池原理,负极发生氧化反应,元素化合价升高,所以Pb为负极;正极发生还原反应,元素化合价降低,从总反应式可知,PbO2是氧化剂,即正极反应:PbO2+SO+4H++2e-===PbSO4+2H2O;从正极反应或电池的总反应可知H2SO4参加了反应,H+转变成H2O,所以溶液pH增大;原电池工作时溶液中阴离子移向负极,阳离子移向正极;电流方向与电子移动方向相反,从正极沿导线流向负极。
【巩固】
1.利用反应Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2设计一个原电池。画出实验装置图,并指出正极材料为________,电极反应式为_______________________;负极材料为________,电极反应式为

【答案】 (实验装置图如下)Pt(或石墨) 2Fe3++2e-===2Fe2+ Zn Zn-2e-===Zn2+
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【解析】一般来说,自发的氧化还原反应都可以设计成相应的原电池。具体设计时,先将氧化还原反应拆分为两个半反应(即氧化反应和还原反应),然后根据构成原电池的条件,选择合适的电极材料及适宜的电解质溶液,将两电极用导线连接插入电解质溶液形成闭合回路,即可成功设计原电池。将Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2拆分为:Zn-2e-===Zn2+(氧化反应)和2Fe3++2e-===2Fe2+(还原反应);结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极应用锌,则正极所用材料活泼性应比锌弱,为保证Fe3+在正极得电子,则电解质溶液为FeCl3等易溶的铁盐溶液。
2.控制合适的条件,将反应2Fe3++2I-===2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(  )
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甲     乙
A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中石墨电极为负极
【答案】 D
【解析】 反应开始后,乙中石墨电极上发生的反应为2I--2e-===I2,为氧化反应,A说法正确。甲中石墨电极上发生的反应为2Fe3++2e-===2Fe2+,Fe3+被还原,B正确。电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态,C正确。电流计读数为零(反应达到化学平衡状态)后,在甲中溶入FeCl2固体,则平衡向逆反应方向移动,I2被还原,乙中的石墨电极为正极,D错误。故选D。
3.一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型手机电池,可连续使用一个月,其电池反应为:2CH3OH+3O2+4OH-===2CO+6H2O,则有关说法正确的是(  )
A.放电时CH3OH参与反应的电极为正极
B.放电时负极的电极反应为CH3OH+8OH--6e-===CO+6H2O
C.标准状况下,通入5.6
L
O2并完全反应后,有0.5
mol电子转移
D.放电一段时间后,通入氧气的电极附近溶液的pH降低
【答案】 B
【解析】 从电池反应可知,CH3OH为原电池的负极,A选项错误;正极反应为:O2+2H2O+4e-===4OH-,标准状况下,5.6
L
O2为0.25
mol,转移电子为1
mol,C选项错误;从正极反应可以看出,正极附近溶液OH-浓度增大,pH升高,D选项错误。
【拔高】
1.一个原电池反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池的正确组成是(  )
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Zn
负极
Cu
Zn
Zn
Cu
电解质溶液
CuCl2溶液
H2SO4溶液
CuSO4溶液
CuCl2溶液
【答案】 C
【解析】 本题考查原电池的组成。活泼金属为负极,且能与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。
2.不久前,美国一个海军航空站安装了一台250
kW的MCFC型燃料电池。该电池可同时供应电和蒸气,其燃料为H2,电解质为熔融的K2CO3,工作温度为600~800
℃。已知该电池的总反应为2H2+O2===2H2O,负极反应为H2+CO-2e-===H2O+CO2。下列推断正确的是(  )
A.正极反应为4OH--4e-===O2+2H2O
B.放电时,CO向负极移动
C.电池供应1
mol水蒸气,转移的电子的物质的量4
mol
D.放电时,CO向正极移动
【答案】 B
【解析】 正极反应是氧化剂得电子的反应,A项错;原电池中,阴离子向负极移动,B项正确,D项错;电池提供1
mol水蒸气,转移的电子的物质的量为2
mol,C项错。

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