①燃料電池中兩極上進行的電極反應分別為
a.正極_____________________________________________;
b.負極_____________________________________________。
②電解池中兩極上進行的電極反應分別為
a.陰極_____________________________________________;
b.陽極_____________________________________________。
(2)將(1)中的“氫氧化鈉溶液”改為“硫酸溶液,”其他同(1),試寫出答案。
(3)若燃料電池中電解質溶液為氫氧化鈉溶液,但向負極通入的氣體不是氫氣,而是一氧化碳(或甲烷,或乙烯,或乙炔),則原電池中兩極上進行的電極反應、電池總反應和電解質溶液pH的變化分別是:
當通入一氧化碳時:
a.正極_____________________________________________;
b.負極_____________________________________________;
c.電池總反應為_____________________________________;
d.電解質溶液pH的變化為_________。(填“增大”“減小”或“不變”)
(1)解析:燃料電池中,O2得到電子變?yōu)镺2-,O2-與H2O分子結合生成OH-,H2失去電子變?yōu)镠+,H+在堿性溶液中與OH-結合生成H2O。
燃料電池中,陰極吸引陽離子H+和Na+,H+得到電子變?yōu)镠2,陽極吸引陰離子OH-,OH-失去電子變成H2O,放出O2。
答案:①O2+4e-+2H2O4OH- H2+2OH-2H2O+2e-
②2H++2e-H2↑ 4OH-2H2O+O2↑+4e-
(2)解析:燃料電池中,O2得到電子變?yōu)镺2-,O2-在酸性溶液中與H+結合生成H2O,H2失去電子變?yōu)镠+,H+與酸性溶液不反應。
電解池中,陰極吸引陽離子H+,H+得到電子變?yōu)镠2,陽極吸引陰離子OH-和,OH-失去電子變成H2O,放出O2。
電解池中,雖然氫氧化鈉變成了硫酸,但電極反應不變。?
答案:①O2+4e-+4H+2H2O H22H++2e-
②2H++2e-H2↑ 4OH-2H2O+O2↑+4e-
(3)解析:燃料電池中,負極通入的氣體為含碳燃料,在負極區(qū)被氧化,碳元素將被氧化到它的最高價態(tài):+4價,而+4價的碳又不能單獨存在,在其常見存在形式CO2和中,產(chǎn)物究竟是哪個,O原子由誰來提供?答案應結合負極環(huán)境尋找,由于負極溶液顯堿性,所以不會有CO2逸出,氧化產(chǎn)物應為,中的O原子是由OH-提供的。
燃料電池的正極反應不因負極燃料的改變而改變。
判斷電解質溶液pH的變化,寫出電池總反應便知。將正負電極反應式疊加便得電池總反應,疊加正負電極反應式時,要注意電子得失守恒。
答案:a.O2+4e-+2H2O4OH- b.CO+4OH-+2H2O+2e-
c.2CO+O2+4OH-+2H2O d.減小
科目:高中化學 來源: 題型:閱讀理解
(12分)車載甲醇質子交換膜燃料電池(PEMFC)將甲醇蒸氣轉化為氫氣的工 藝有兩種:(1)水蒸氣變換(重整)法;(2)空氣氧化法。兩種工藝都得 到副產(chǎn)品CO。
1.分別寫出這兩種工藝的化學方程式,通過計算,說明這兩種工藝的優(yōu)缺點。有關資料(298 .15K)列于表3。
表3 物質的熱力學數(shù)據(jù)
物質 | ΔfHm/kJ?mol-1 | Sm/J?K-1?mol-1 |
CH3OH(g) | -200.66 | 239.81 |
CO2(g) | -393.51 | 213.64 |
CO(g) | -110.52 | 197.91 |
H2O(g) | -241.82 | 188.83 |
H2 (g) | 0 | 130.59 |
2.上述兩種工藝產(chǎn)生的少量CO會吸附在燃料電池的Pt或其他貴金屬催化劑表面,阻礙H2的吸附和電氧化,引起燃料電池放電性能急劇下降,為此,開發(fā)了除去CO的方法。現(xiàn)有一組實驗結果(500K)如表4。
表中PCO、PO2 分別為CO和O2的分壓;rco為以每秒每個催化劑Ru活性位上所消耗的CO分子數(shù)表示的CO的氧化速率。(1)求催化劑Ru上CO氧化反應分別對CO和O2的反應級數(shù)(取整數(shù)),寫出 速率方程。(2)固體Ru表面具有吸附氣體分子的能力,但是氣體分子只有碰到空活性位才可能發(fā)生吸附作用。當已吸附分子的熱運動的動能足以克服固體引力場的勢壘時,才能脫附,重新回到氣相。假設CO和O2的吸附與脫附互不影響,并且表面是均勻的,以θ表示氣體分子覆蓋活性位的百分數(shù)(覆蓋度),則氣體的吸附速率與氣體的壓力成正比,也與固體表面的空活性位數(shù)成正比。研究提出CO在Ru上的氧化反應的一種機理如下:
其中kco,ads、 kco,des分別為CO在Ru的活性位上的吸附速率常數(shù)和脫附速率常數(shù),ko2,ads為O2在Ru的活性位上的吸附速率常數(shù)。M表示Ru催化劑表面上的活性位。CO在Ru表面活性位上的吸附比O2的吸附強得多。試根據(jù)上述反應機理推導CO在催化劑Ru表面上氧化反應的速率方程(不考慮O2的脫附;也不考慮產(chǎn)物CO2的吸附),并與實驗結果比較。
3.有關物質的熱力學函數(shù)(298.15 K)如表5。
表5 物質的熱力學數(shù)據(jù)
物質 | ΔfHm/kJ?mol-1 | Sm/J?K-1?mol-1 |
H2 (g) | 0 | 130.59 |
O2(g) | 0 | 205.03 |
H2O (g) | -241.82 | 188.83 |
H2O (l) | -285.84 | 69.94 |
在373.15K,100kPa下,水的蒸發(fā)焓Δvap Hm=40.64kJ?mol-1,在298.15~3
73.15K間水的等壓熱容為75.6 J?K-1?mol-1。(1)將上述工藝得到的富氫氣體作為質子交換膜燃料電池的燃料。燃料電池的理論效率是指電池所能做的最大電功相對于燃料反應焓變的效率。在298.15K,100 kPa下,當1 molH2燃燒分別生成H2O(l) 和 H2O(g)時,計算燃料電池工作的理論效率,并分析兩者存在差別的原因。(2)若燃料電池在473.15 K、100 kPa下工作,其理論效率又為多少(可忽略焓 變和嫡變隨溫度的變化)?(3)說明(1)和(2)中的同一反應有不同理論效率的原因。
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