高一化學(xué)燃料電池和電能解題指導(dǎo)
化學(xué)反應(yīng)不僅生成新物質(zhì)，而且都伴隨有能量的變化�；瘜W(xué)反應(yīng)能量的變化從物質(zhì)內(nèi)部揭示了化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)，詮釋了物質(zhì)之間發(fā)生變化的另一個側(cè)面。這種能量變化主要體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)吸收或放出的熱能變化上，以及電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化。下面我們嘗試從這個考點了解反應(yīng)中能量變化的一些形式。
一、燃燒反應(yīng)、燃燒熱
燃燒是一種劇烈放熱、發(fā)光的化學(xué)反應(yīng)，是可燃物在氧化劑氣體（一般氧氣）中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。燃燒產(chǎn)物均為能量較低的穩(wěn)定物質(zhì)，所以燃燒全部為放熱反應(yīng)。燃燒熱就是指在1個大氣壓的條件下，1 mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物所放出的熱量。表示燃燒熱可以用特定的熱化學(xué)方程式表示。
例1.將0.3 mol的氣態(tài)高能燃料乙硼烷（B2H6）在氧氣中燃燒，生成固態(tài)三氧化二硼和氣態(tài)水，放出609.9 kJ熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為________________。又已知：H2O(g)＝H2O(l)； ΔH＝－44.0 kJ/mol，乙硼烷的燃燒熱為________kJ/mol。
解析：0.3 mol乙硼烷完全燃燒生成氣態(tài)水放出609.9 kJ熱量，則1 mol乙硼烷完全燃燒放出的熱量為：1 mol×＝2033 kJ。因此乙硼烷燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為：
B2H6(g)+3O2(g)＝B2O3(s)+3H2O(g)；ΔH＝－2033 kJ/mol。產(chǎn)物氣態(tài)水能量較高，燃燒熱應(yīng)為燃燒生成液態(tài)水時放出的能量，而1 mol乙硼烷燃燒生成液態(tài)水放熱
2033 kJ+44.0 kJ/mol×3 mol=2165 kJ，所以乙硼烷的燃燒熱為：2165 kJ/mol。
二、燃料電池、電能
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池作為一種新型電源，其電極材料豐富，電解質(zhì)多種多樣（可以是酸性，可以是堿性，可以是固態(tài)、氣態(tài)還可以是液態(tài)等），尤其近年來，一次性能源的匱乏和環(huán)境保護的要求，開發(fā)利用新的清潔再生能源問題變得緊迫，燃料電池以其能量轉(zhuǎn)換率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而將滲透到我們生活的各個領(lǐng)域。
例2.有人將鉑電極插入氫氧化鉀溶液中作電極，又在兩極片上分別通甲烷和氧氣形成原電池，從而設(shè)計出一種燃料電池，該電池中甲烷的鉑絲為_____極，發(fā)生的電極反應(yīng)為_____________.該電池工作時放電反應(yīng)的總化學(xué)方程式為______________，電池工作時溶液的PH(填“不變”，“變小”,“變大”)____________
解析：甲烷燃料電池以甲烷的燃燒反應(yīng)為基礎(chǔ)進行，甲烷是還原劑，在負極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在正極發(fā)生還原反應(yīng)，在書寫電極反應(yīng)時既要注意KOH電解質(zhì)溶液的參與，還應(yīng)注意得失電子守恒和電荷守恒。
負極：CH4+10OH—-8e—=CO32—+7H2O 正極：2 O2+4H2O+8e-=8OH-
電池總反應(yīng)式：CH4+2 O2+2OH—=CO32—+3H2O
電池工作時要消耗氫氧根離子，所以PH變小。
三、熱能和電能
對于一個特定化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)前后能量的變化無論以什么形式釋放出來，能量值都是一樣的。不過將燃燒反應(yīng)設(shè)計成燃料電池將大大提高能量的利用率，這也是燃料電池即將成為21世紀新能源的重要原因。
例3.（1）堿性燃料電池（AFC）是采用30%—50%KOH溶液作電解質(zhì)溶液，以氫氣和氧氣為燃料在一定條件下使其發(fā)生反應(yīng)，試表示該電池的電極反應(yīng)式。
（2）已知燃燒1 g氫氣生成液態(tài)水放出熱量143 kJ，某燃料電池以氫氣為燃料，假設(shè)能量利用率為80%，那么要求產(chǎn)生1度電需標準狀況下的氫氣__________L，寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式。
解析：氫氧燃料電池在堿性條件下的電極反應(yīng)為：
負極：2H2+-4e- +4OH—=4H2O 正極：O2+4e—+2H2O=4OH—
電池的總反應(yīng)式為：2H2+O2=2H2O，所以該燃料電池發(fā)電釋放能量可以由燃燒反應(yīng)的反應(yīng)熱求得。1 g氫氣完全燃燒放出熱量143 kJ，該燃燒反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為2H2(g) + O2(g) ＝2H2O(l)；ΔH1＝－572 kJ/mol，氫氣燃燒熱為286 kJ/mol。產(chǎn)生1度電的能量為3600kJ，需要氫氣的體積為：v（H2）==352.4 L
四、鏈接高考
（07江蘇）甲醇子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的兩種反應(yīng)原理是
�、貱H3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g)；△H= + 49．0 kJ·mol-1
�、贑H3OH(g)+1/2O2(g)=CO2(g)+2H2(g)；△H=－192．9 kJ·mol-1
下列說法正確的是( )。
A．CH3OH的燃燒熱為192．9 kJ·mol－1
B．反應(yīng)①中的能量變化如右圖所示
C．CH3OH轉(zhuǎn)變成H2的過程一定要吸收能量
D．根據(jù)②推知反應(yīng)：CH3OH(l)+1/2O2(g)=CO2(g)+2H2(g)的△H>－192．9 kJ·mol－1
解析：本題以燃料電池為載體考查燃燒熱和熱化學(xué)方程式。CH3OH燃燒熱應(yīng)指1 mol甲醇完全燃燒生成CO2和液態(tài)水時放出的熱量，題中電池反應(yīng)甲醇生成氫氣，不符合定義，因此選項A錯。反應(yīng)①是吸熱反應(yīng)，而上圖所示反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此選項B也錯。由反應(yīng)①②可知，CH3OH轉(zhuǎn)變成H2的過程有的是放熱反應(yīng)有的是吸熱反應(yīng)，選項C錯。液態(tài)甲醇能量低于氣態(tài)甲醇，與氧氣反應(yīng)放出熱量少，因△H為負，所以△H>－192.9 kJ·mol－1。選D。
化學(xué)反應(yīng)中的能量變化是復(fù)習(xí)化學(xué)的另一條線索，是近年來高考�？贾R點，也是學(xué)生復(fù)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)，必要時應(yīng)做一些強化練習(xí)，將反應(yīng)中涉及的能量問題綜合起來，這樣才會利用該知識點，使相關(guān)知識達到融會貫通。
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