Question

3．以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛的研究，右圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池的工作原理示意圖．回答下列問題：
①A極為電池正極，
電極反應(yīng)式為O₂+4e^-=2O^2-．
②若用該燃料電池作電源，用石墨作電極電解100mL1mol•L^-1的硫酸銅溶液，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，理論上消耗的甲烷的體積為1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）．

Answer 1

分析 ①由陰離子移動(dòng)方向可知B為負(fù)極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，A極是正極，該電極上是氧氣得電子的還原反應(yīng)；
②開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計(jì)算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算消耗的甲烷；根據(jù)電池中的能量轉(zhuǎn)化率分析．

解答 解：①由陰離子移動(dòng)方向可知B為負(fù)極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，電極方程式為CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O，A極是正極，該電極上是氧氣得電子的還原反應(yīng)，電極方程式為O₂+4e^-=2O^2-，故答案為：正；O₂+4e^-=2O^2-；
②硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×2mol/L=0.2mol，開始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案為：1.12L．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查電化學(xué)知識(shí)，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重于學(xué)生的分析、計(jì)算能力的考查，解答本題要注意把握原電池的工作原理，把握電極方程式的書寫，題目難度中等．