Question

19．2015年CES消費電子展開幕前夕，豐田汽車公司宣布將會開放氫燃料電池技術專利的使用權，并正式發布量產型氫燃料電池轎車Mirai．氫氧燃料電池是符合綠色化學理念的新型發電裝置．圖3為電池示意圖，該電池電極表面鍍一層細小的鉑粉，鉑吸附氣體的能力強，性質穩定．
（1）氫氧燃料電池的能量轉化主要形式是化學能→電能，在導線中電子流動方向為a→b（用a、b 和箭頭表示）．
（2）負極反應式為H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O．
（3）電極表面鍍鉑粉的原因為增大電極單位面積吸附H₂和O₂的分子數，增大反應速率．
（4）氫氣的制備和存儲是氫氧燃料電池能否有效推廣的關鍵技術．有人提出利用光伏發電裝置電解尿素的堿性溶液來制備氫氣．光伏發電是當今世界利用太陽能最主要方式之一．圖1為光伏并網發電裝置，圖2為電解尿素[CO（NH₂）₂]（C為+4價）的堿性溶液制氫的裝置示意圖（電解池中隔膜僅阻止氣體通過，陰、陽極均為惰性電極）．

①圖1中N型半導體為負極（填“正極”或“負極”）
②該系統工作時，A極的電極反應式為CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O
③若A極產生7.00g N₂，則此時B極產生16.8L H₂（標況下）．

Answer 1

分析 （1）氫氧燃料電池屬于原電池，是將化學能轉化為電能的裝置；燃料電池中，通入燃料的電極是負極、通入氧化劑的電極是正極，電子從負極沿導線流向正極；
（2）堿性氫氧燃料電池中，負極上氫氣失電子和氫氧根離子反應生成水；
（3）反應物接觸面積越大，反應速率越快；
（4）該電池反應時中，氮元素化合價由-3價變為0價，H元素化合價由+1價變為0價，所以生成氮氣的電極A是陽極，生成氫氣的電極B是陰極，結合電解池的工作原理分析解答．

解答 解：（1）氫氧燃料電池屬于原電池，是將化學能轉化為電能的裝置，所以該燃料電池中能量主要轉化形式是化學能轉化為電能；燃料電池中，通入燃料的電極是負極、通入氧化劑的電極是正極，電子從負極沿導線流向正極，所以通入氫氣的電極是負極、通入氧氣的電極是正極，電子流動方向為a到b，
故答案為：化學能→電能；a→b；
（2）堿性氫氧燃料電池中，負極上氫氣失電子和氫氧根離子反應生成水，電極反應式為H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，故答案為：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O；
（3）反應物接觸面積越大，反應速率越快，電極表面鍍鉑粉能增大反應物的接觸面積，所以能增大反應速率，故答案為：增大電極單位面積吸附H₂和O₂的分子數，增大反應速率；
（4）①該電池反應時中，氮元素化合價由-3價變為0價，H元素化合價由+1價變為0價，則氮元素被氧化，氫元素被還原，所以生成氮氣的電極A是陽極，生成氫氣的電極B是陰極，則圖1中N型半導體為負極，P型半導體為正極，故答案為：負極；
②A極為陽極，電極反應式為：CO（NH₂）₂+80H^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，故答案為：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O；
③A極為陽極，電極反應式為：CO（NH₂）₂+80H^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，若A極產生7.00g即0.25molN₂，則轉移電子是1.5mol，此時B極產生氫氣，B電極反應為：2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-，轉移1.5mol電子，產生氫氣的體積是：$\frac{1.5mol}{2}×22.4L/mol$=16.8L，故答案為：16.8．

點評 本題考查了原電池和電解池的工作原理知識，明確元素化合價變化與陰陽極的關系是解本題關鍵，根據電解池的工作原理來分析解答，難度中等．