Question

設(shè)計出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是本世紀最富有挑戰(zhàn)性的課題之一．3年前有人制造了一種燃料電池，一個電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣．電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-離子．回答如下問題：
（1）以丁烷代表汽油，這個電池放電時發(fā)生的化學反應(yīng)的化學方程式是

 

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（2）這個電池的負極發(fā)生的反應(yīng)是

 

；固體電解質(zhì)里的O^2-的移動方向是

 

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（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

 

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（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年時間，正是新一代化學家的歷史使命．
（5）你認為ZrO₂晶體里摻雜Y₂O₃用Y³⁺代替晶體里部分Zr⁴⁺對提高固體電解質(zhì)的導(dǎo)電能力起什么作用？其可能的原因是

 

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Answer 1

考點：化學電源新型電池

專題：電化學專題

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．
（5）根據(jù)離子的移動分析．

解答： 解：（1）燃料電池的總反應(yīng)和燃料燃燒的化學方程式一致，電池總反應(yīng)為2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，
故答案為：2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O；
（2）燃料電池中，負極上燃料丁烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，即C₄H₁₀+13O^2--26e^-═4CO₂+5H₂O（或C₄H₁₀+26O^2--52e^-═8CO₂+10H₂O），電解質(zhì)溶液中陰離子向負極移動，所以固體電解質(zhì)里的O^2-的移動方向是由正極流向負極，
故答案為：C₄H₁₀+13O^2--26e^-═4CO₂+5H₂O（或C₄H₁₀+26O^2--52e^-═8CO₂+10H₂O）；由正極流向負極；
（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）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）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(dǎo)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．

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(guān)鍵，難點是電極反應(yīng)式的書寫，難度中等．