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。近年有人制造了一種燃料電池，一電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣。電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳遞O^2-。請根據(jù)題給信息回答下列問題：
（1）以丁烷代替汽油，這個電池放電時發(fā)生的電池反應(yīng)是_____________。
（2）這個電池正極發(fā)生的電極反應(yīng)是
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿_(dá)，負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是_________________＿＿＿，固體電解質(zhì)里的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是在內(nèi)燃機里燃燒汽油產(chǎn)生動力的主要原因是
_________________________。
（4）ZrO₂晶體里摻雜Y₂O₃，用Y³⁺代替晶體內(nèi)的部分Zr⁴⁺，對提高固體電解質(zhì)的導(dǎo)電能力起什么作用？你認(rèn)為其可能的原因是什么？
（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應(yīng)不完全產(chǎn)生的__________會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年時間，這正是新一代化學(xué)家的歷史使命。

Answer 1

（1）2C₄H₁₀＋13O₂→8CO₂＋10H₂O
（2）13O₂＋52e^-→26O^2-；2C₄H₁₀＋26O^2-→8CO₂＋10H₂O+52e^-；向負(fù)極移動；負(fù)極
（3）燃料電池具有較高的能量利用率（或內(nèi)燃機能量利用率較低）
（4）為維持電荷平衡，晶體中的O^2-將減少（或?qū)е翺^2-缺陷），從而使O^2-得以在電場作用下向負(fù)極（或陽極）移動。
（5）碳（或炭粒）
【試題分析】
解析：燃料電池是利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋放出的能量，直接將其轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它工作時需要連續(xù)不斷地向負(fù)極供給燃料（氫氣、甲烷、汽油等），向正極供給氧化劑（O₂、空氣）。
（1）燃料氣體被氧化劑氧化而發(fā)生了氧化反應(yīng)，故汽油燃料電池放電時的電池反應(yīng)為2C₄H₁₀+13O₂→8CO₂+10H₂O。
（2）根據(jù)燃料電池原理，放電時，負(fù)極發(fā)生的是氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為2C₄H₁₀+26O^2-→8CO₂+10H₂O+52e^-；正極發(fā)生的是還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為13O₂+52e^-→26O^2-。由電池的正、負(fù)極反應(yīng)可以看出，負(fù)極持續(xù)反應(yīng)需要O^2-的參與，正極反應(yīng)不斷產(chǎn)生O^2-，所以電解質(zhì)里的O^2-的移動方向是由正極移向負(fù)極。電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，因而向外電路釋放電子的電極是負(fù)極。
（3）燃料電池是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)化器”，其能量轉(zhuǎn)化率很高，可達(dá)75%以上，而內(nèi)燃機的能量轉(zhuǎn)化率較低。
（4）依據(jù)電荷守恒原理，摻有Y₂O₃的ZrO₂晶體中O^2-比純ZrO₂晶體中的O^2-減少了，造成晶體中O^2-缺陷，從而使得O^2-在電場作用下向負(fù)極移動。
（5）題中已給出信息暗示，“氧化反應(yīng)不完全”即汽油不完全燃燒，因為含碳化合物不完全燃燒的固體產(chǎn)物是炭粒，即炭粒堵塞了電極的氣體通道。