Question

5．原電池原理廣泛應(yīng)用于科技、生產(chǎn)和生活中，請(qǐng)回答以下問(wèn)題：
（1）甲烷-空氣燃料電池是一種堿性燃料電池，產(chǎn)物無(wú)污染，電解質(zhì)溶液是20%～30%的KOH溶液．該電池放電時(shí)：正極的電極反應(yīng)式是O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
負(fù)極的電極反應(yīng)式是CH₄+10OH^--8e^-═CO₃^2-+7H₂O．
（2）可用于電動(dòng)汽車的鋁-空氣燃料電池，通常以NaC1溶液或NaOH溶液為電解液，鋁合金為負(fù)極，空氣電極為正極．
①以NaC1溶液為電解液時(shí)，電池總反應(yīng)式為：4Al+3O₂+6H₂O═4Al（OH）₃或4Al+3O₂═2Al₂O₃；工作過(guò)程中電解液中的Na⁺向正極正極或負(fù)極）移動(dòng)；
②以NaOH溶液為電解液時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為：Al+4OH^--3e^-═AlO₂^-+2H₂O；電池在工作過(guò)程中電解液的濃度減小．（填“變大”“變小”或“不變”）
（3）有人設(shè)想尋求合適的催化劑和電極材料，以N₂、H₂為電極反應(yīng)物，以HCl-NH₄Cl為電解質(zhì)溶液制造新型燃料電池．試寫出該電池的正極反應(yīng)式N₂+8H⁺+6e^-═2NH₄⁺．
（4）請(qǐng)運(yùn)用原電池原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證Cu²⁺、Fe³⁺氧化性的強(qiáng)弱．請(qǐng)畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖并寫出電極反應(yīng)式．

Answer 1

分析 （1）甲烷燃料電池中，負(fù)極反應(yīng)為燃料失電子的氧化反應(yīng)，正極反應(yīng)為氧氣得電子的還原反應(yīng)，原電池中，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，據(jù)電解質(zhì)環(huán)境書寫電極反應(yīng)式；
（2）①鋁空氣燃料電池中，以NaC1溶液為電解液時(shí)，總反應(yīng)是4Al+3O₂+6H₂O═4Al（OH）₃或4Al+3O₂═2Al₂O₃，根據(jù)原電池中陰離子、陽(yáng)離子移動(dòng)規(guī)律來(lái)回答；
②鋁空氣燃料電池中負(fù)極反應(yīng)為Al+4OH^--3e^-═AlO₂^-+2H₂O，根據(jù)總反應(yīng)判斷氫氧化鈉的濃度變化；
（3）原電池的正極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，據(jù)此書寫電極反應(yīng)；
（4）Fe³⁺氧化性比Cu²⁺強(qiáng)，可發(fā)生2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺，反應(yīng)中Cu被氧化，為原電池的負(fù)極，則正極可為碳棒或不如Cu活潑的金屬，電解質(zhì)溶液為氯化鐵溶液，正極發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，以此解答該題．

解答 解：（1）甲烷燃料電池中，負(fù)極反應(yīng)為燃料失電子的氧化反應(yīng)，堿性環(huán)境下，電極反應(yīng)為：CH₄+10OH^--8e^-═CO₃^2-+7H₂O，正極反應(yīng)為氧氣得電子的還原反應(yīng)，堿性環(huán)境下，電極反應(yīng)為：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-，故答案為：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；CH₄+10OH^--8e^-═CO₃^2-+7H₂O；
（2）①鋁空氣燃料電池中，以NaC1溶液為電解液時(shí)，總反應(yīng)是4Al+3O₂+6H₂O═4Al（OH）₃或4Al+3O₂═2Al₂O₃，原電池中，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，
故答案為：4Al+3O₂+6H₂O═4Al（OH）₃或4Al+3O₂═2Al₂O₃；正極；
②以NaOH溶液為電解液時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Al+4OH^--3e^-═AlO₂^-+2H₂O，該電池在堿性條件下消耗了堿，總反應(yīng)式為4Al+3O₂+4OH^-=4AlO₂^-+2H₂O，所以氫氧化鈉的濃度會(huì)減小，故答案為：Al+4OH^--3e^-═AlO₂^-+2H₂O；減��；
（3）正極上氮?dú)獾秒娮雍蜌潆x子反應(yīng)生成銨根離子，即電極反應(yīng)為N₂+8H⁺+6e^-═2NH₄⁺，故答案為：N₂+8H⁺+6e^-═2NH₄⁺；
（4）Fe³⁺氧化性比Cu²⁺強(qiáng)，可發(fā)生2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺，Cu被氧化，為原電池的負(fù)極，負(fù)極反應(yīng)為Cu-2e^-=Cu²⁺，正極Fe³⁺被還原，電極方程式為2Fe³⁺+2e^-=2Fe²⁺，正極可為碳棒，電解質(zhì)溶液為氯化鐵，則原電池裝置圖可設(shè)計(jì)為，電子從銅極流向碳極，
故答案為：正極反應(yīng)：Fe³⁺+e^-═Fe²⁺，負(fù)極反應(yīng)：Cu-2e^-═Cu²⁺，．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查有關(guān)燃料電池的工作原理和規(guī)律知識(shí)，注意原電池的電極反應(yīng)和總反應(yīng)的書寫規(guī)律在解題中的應(yīng)用，難度不大．