Question

19．2015年CES消费电子展开幕前夕，丰田汽车公司宣布将会开放氢燃料电池技术专利的使用权，并正式发布量产型氢燃料电池轿车Mirai．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置．图3为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定．
（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是化学能→电能，在导线中电子流动方向为a→b（用a、b 和箭头表示）．
（2）负极反应式为H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O．
（3）电极表面镀铂粉的原因为增大电极单位面积吸附H₂和O₂的分子数，增大反应速率．
（4）氢气的制备和存储是氢氧燃料电池能否有效推广的关键技术．有人提出利用光伏发电装置电解尿素的碱性溶液来制备氢气．光伏发电是当今世界利用太阳能最主要方式之一．图1为光伏并网发电装置，图2为电解尿素[CO（NH₂）₂]（C为+4价）的碱性溶液制氢的装置示意图（电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴、阳极均为惰性电极）．

①图1中N型半导体为负极（填“正极”或“负极”）
②该系统工作时，A极的电极反应式为CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O
③若A极产生7.00g N₂，则此时B极产生16.8L H₂（标况下）．

Answer 1

分析 （1）氢氧燃料电池属于原电池，是将化学能转化为电能的装置；燃料电池中，通入燃料的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极，电子从负极沿导线流向正极；
（2）碱性氢氧燃料电池中，负极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水；
（3）反应物接触面积越大，反应速率越快；
（4）该电池反应时中，氮元素化合价由-3价变为0价，H元素化合价由+1价变为0价，所以生成氮气的电极A是阳极，生成氢气的电极B是阴极，结合电解池的工作原理分析解答．

解答 解：（1）氢氧燃料电池属于原电池，是将化学能转化为电能的装置，所以该燃料电池中能量主要转化形式是化学能转化为电能；燃料电池中，通入燃料的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极，电子从负极沿导线流向正极，所以通入氢气的电极是负极、通入氧气的电极是正极，电子流动方向为a到b，
故答案为：化学能→电能；a→b；
（2）碱性氢氧燃料电池中，负极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水，电极反应式为H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，故答案为：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O；
（3）反应物接触面积越大，反应速率越快，电极表面镀铂粉能增大反应物的接触面积，所以能增大反应速率，故答案为：增大电极单位面积吸附H₂和O₂的分子数，增大反应速率；
（4）①该电池反应时中，氮元素化合价由-3价变为0价，H元素化合价由+1价变为0价，则氮元素被氧化，氢元素被还原，所以生成氮气的电极A是阳极，生成氢气的电极B是阴极，则图1中N型半导体为负极，P型半导体为正极，故答案为：负极；
②A极为阳极，电极反应式为：CO（NH₂）₂+80H^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，故答案为：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O；
③A极为阳极，电极反应式为：CO（NH₂）₂+80H^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，若A极产生7.00g即0.25molN₂，则转移电子是1.5mol，此时B极产生氢气，B电极反应为：2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-，转移1.5mol电子，产生氢气的体积是：$\frac{1.5mol}{2}×22.4L/mol$=16.8L，故答案为：16.8．

点评 本题考查了原电池和电解池的工作原理知识，明确元素化合价变化与阴阳极的关系是解本题关键，根据电解池的工作原理来分析解答，难度中等．