高一化學：燃料電池和電能解題指導
一、燃燒反應、燃燒熱
燃燒是一種劇烈放熱、發光的化學反應，是可燃物在氧化劑氣體(一般氧氣)中發生的氧化還原反應。燃燒產物均為能量較低的穩定物質，所以燃燒全部為放熱反應。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方程式表示。
例1.將0.3 mol的氣態高能燃料乙硼烷(B2H6)在氧氣中燃燒，生成固態三氧化二硼和氣態水，放出609.9 kJ熱量，該反應的熱化學方程式為________________。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反應方程式為：
B2H6(g)+3O2(g)=B2O3(s)+3H2O(g);ΔH=-2033 kJ/mol。產物氣態水能量較高，燃燒熱應為燃燒生成液態水時放出的能量，而1 mol乙硼烷燃燒生成液態水放熱
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能，直接轉化為電能的裝置。燃料電池作為一種新型電源，其電極材料豐富，電解質多種多樣(可以是酸性，可以是堿性，可以是固態、氣態還可以是液態等)，尤其近年來，一次性能源的匱乏和環境保護的要求，開發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換率高、對環境污染小等優點而將滲透到我們生活的各個領域。
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，從而設計出一種燃料電池，該電池中甲烷的鉑絲為_____極，發生的電極反應為_____________.該電池工作時放電反應的總化學方程式為______________，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為基礎進行，甲烷是還原劑，在負極發生氧化反應，氧氣在正極發生還原反應，在書寫電極反應時既要注意KOH電解質溶液的參與，還應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
對于一個特定化學反應，反應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。不過將燃燒反應設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溶液作電解質溶液，以氫氣和氧氣為燃料在一定條件下使其發生反應，試表示該電池的電極反應式。
(2)已知燃燒1 g氫氣生成液態水放出熱量143 kJ，某燃料電池以氫氣為燃料，假設能量利用率為80%，那么要求產生1度電需標準狀況下的氫氣__________L，寫出該反應的熱化學方程式。
解析：氫氧燃料電池在堿性條件下的電極反應為：
負極：2H2+-4e- +4OH—=4H2O 正極：O2+4e—+2H2O=4OH—
電池的總反應式為：2H2+O2=2H2O，所以該燃料電池發電釋放能量可以由燃燒反應的反應熱求得。1 g氫氣完全燃燒放出熱量143 kJ，該燃燒反應的熱化學方程式為2H2(g) + O2(g) =2H2O(l);ΔH1=-572 kJ/mol，氫氣燃燒熱為286 kJ/mol。產生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
甲醇子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉化為氫氣的兩種反應原理是
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
下列說法正確的是( )。
A.CH3OH的燃燒熱為192.9 kJ·mol-1
B.反應①中的能量變化如右圖所示
C.CH3OH轉變成H2的過程一定要吸收能量
D.根據②推知反應：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方程式。CH3OH燃燒熱應指1 mol甲醇完全燃燒生成CO2和液態水時放出的熱量，題中電池反應甲醇生成氫氣，不符合定義，因此選項A錯。反應①是吸熱反應，而上圖所示反應物的總能量大于生成物的總能量應是放熱反應，因此選項B也錯。由反應①②可知，CH3OH轉變成H2的過程有的是放熱反應有的是吸熱反應，選項C錯。液態甲醇能量低于氣態甲醇，與氧氣反應放出熱量少，因△H為負，所以△H>-192.9 kJ·mol-1。選D。
(責任編輯：康彥林)
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