Question

設計出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是本世紀最富有挑戰(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)生的化學反應的方程式是：

 

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

 

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)燃機里燃燒汽油產(chǎn)生動力的主要原因是：

 

（4）在ZrO₂晶體里摻雜Y₂O₃，用Y³⁺代替晶體里的部分Zr⁴⁺對提高固體電解質(zhì)的導電能力有幫助，你認為原因是：

 

（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應不完全產(chǎn)生

 

堵塞電極的氣體通道，有人估計，完全避免這種副反應至少還需10年，這正是新一代化學家的歷史使命．

Answer 1

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

解答：解：（1）燃料電池的總反應和燃料燃燒的化學方程式一致，電池總反應為2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，
故答案為：2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O；
（2）極發(fā)生還原反應，總反應減負極反應可得正極反應式，為O₂+4e^-=2O^2-；原電池工作時，陰離子向負極移動，電子從負極經(jīng)外電路流向正極故答案為：O₂+4e^-=2O^2-； 向負極移動；負極；
（3）原電池具有能量利用率高的特點，而燃燒時化學能轉(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）為維持電荷平衡，晶體中的O^2-將減少，從而使O^2-得以在電場作用下向負極移動，所以用Y³⁺代替晶體里的部分Zr⁴⁺對提高固體電解質(zhì)的導電能力有幫助，
故答案為：為維持電荷平衡，晶體中的O^2-將減少，從而使O^2-得以在電場作用下向負極移動；
（5）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．

點評：本題考查了化學電源新型電池，明確原電池原理是解本題關鍵，難點是電極反應式的書寫，難度中等．