Question

設(shè)計出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是本世紀(jì)最富有挑戰(zhàn)性的課題之一．最近有人制造了一種燃料電池，一個極通入空氣，另一個極通入汽油蒸氣，電池的電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-，回答如下問題：
（1）以丁烷為汽油代表，這個電池放電時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的方程式是：

 

；
（2）這個電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是：C₄H₁₀+13O^2--26e^-=4CO₂+5H₂O，正極發(fā)生的反應(yīng)是：

 

；固體電解質(zhì)里O^2-的移動方向是：

 

；向外電路釋放電子的電極是：

 

；
（3）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內(nèi)燃機(jī)里燃燒汽油產(chǎn)生動力的主要原因是：

 

；
（4）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應(yīng)不完全產(chǎn)生

 

堵塞電極的氣體通道，有人估計，完全避免這種副反應(yīng)至少還需10年，這正是新一代化學(xué)家的歷史使命．
（5）碳?xì)浠�合物完全燃燒生成CO₂和H₂O．常溫常壓下，空氣中的CO₂，溶于水達(dá)到平衡時，溶液的pH=5.6，c（H₂CO₃）=l.5×10^-5mol?L^-1．若忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則H₂CO₃?H⁺+HCO₃^-的平衡常數(shù)K₁=

 

．（已知：10^-5.60=2.5×10^-6）

Answer 1

考點：化學(xué)電源新型電池,弱電解質(zhì)在水溶液中的電離平衡

專題：電化學(xué)專題

分析：（1）燃料電池放電時發(fā)生的電池反應(yīng)式和燃料燃燒反應(yīng)方程式相同；
（2）燃料電池中，負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動；
（3）原電池具有能量利用率高的特點；
（4）丁烷不完全氧化會生成碳粒，從而堵塞電極的氣體通道．根據(jù)離子的移動分析；
（5）平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之比除以反應(yīng)物的濃度冪之積．

解答： 解：（1）燃料電池的總反應(yīng)和燃料燃燒的化學(xué)方程式一致，電池總反應(yīng)為2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，
故答案為：2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O；
（2）極發(fā)生還原反應(yīng)，總反應(yīng)減負(fù)極反應(yīng)可得正極反應(yīng)式，為O₂+4e^-=2O^2-；原電池工作時，陰離子向負(fù)極移動，電子從負(fù)極經(jīng)外電路流向正極；
故答案為：O₂+4e^-=2O^2-； 向負(fù)極移動；負(fù)極；
（3）原電池具有能量利用率高的特點，而燃燒時化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎凸饽埽?br />故答案為：燃料電池具有較高的能量利用率；
（4）烷不完全氧化會生成碳粒，從而堵塞電極的氣體通道，故答案為：碳粒；
（5）根據(jù)平衡常數(shù)K₁=

c(H+)c(HCO3-)

c(H2CO3)

，
溶液的pH=5.6，c（H⁺）=c（HCO₃^-）=2.5×10^-6mol/L，
c（H₂CO₃）=1.5×10^-5 mol/L，
可求出K₁=4.2×10^-7；
故答案為：4.2×10^-7mol?L^-1．

點評：本題考查了化學(xué)電源新型電池，溶度積常數(shù)的理解和計算應(yīng)用，明確原電池原理是解本題關(guān)鍵，難點是電極反應(yīng)式的書寫，難度中等．