Question

美國阿波羅宇宙飛船上使用的氫氧燃料電池是一種新型的化學電池，其構造如圖所示；兩個電極
均由多孔性碳制成，通入的氣體由孔隙中逸出，并在電極表面放電．
（1）a極是

 

極，b極是

 

極，電極反應式分別為

 

，

 

．
（2）飛船上宇航員的生活用水由燃料電池提供．已知這種電池發(fā)1度電時能生成350g水，試計算能量轉化率．
[2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）+572kJ]
（3）這種電池的輸出電壓為1.2V．要使標有1.2V，1.5W的小燈泡連續(xù)發(fā)光0.5h，應消耗標準狀況下的H₂多少升？
（4）氫氣是燃料電池最簡單的燃料，雖然使用方便，卻受到價格和來源的限制．常用的燃料，往往是某些碳氫化合物，如甲烷（天然氣）、汽油等．請寫出將圖中H₂換成CH₄時所構成的甲烷燃料電池中a極的電極反應式：

 

．此時電池內(nèi)總的反應方程式為

 

．

Answer 1

考點：化學電源新型電池

專題：電化學專題

分析：（1）氫氧燃料電池中，原電池工作時，氫氧燃料電池的總反應為2H₂+O₂=2H₂O；通入氫氣的一極a為電源的負極，發(fā)生氧化反應，電極反應式為：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，通入氧氣的一極b為原電池的正極，電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
（2）依據(jù)熱化學方程式結合題干條件計算能力轉化效率；
（3）求出燈泡發(fā)光0.5h所需電量，1度電約3600KJ能量，可以計算出所需氫氣的體積；
（4）氫氣換成甲烷是甲烷和氧氣反應生成二氧化碳和水的氧化還原反應，圖中電解質溶液是堿性溶液，依據(jù)原電池的原理，結合元素化合價變化分析失電子的物質甲烷在負極a發(fā)生氧化反應，氧氣再正極b發(fā)生還原反應．

解答： 解：（1）氫氧燃料電池中，通入氫氣的一極為電源的負極，通入氧氣的一極為原電池的正極，由于電解質溶液呈堿性，則負極電極反應式為：2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O（或H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O），正極電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，
故答案為：負；正；2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O（或H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O）；O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
（2）航天員的生活用水可以由A裝置提供，已知這種電池生成350g水時能發(fā)電1度（約3600kJ），2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-572kJ?mol^-1 ；理論上生成350g水依據(jù)熱化學方程式計算為，

350g×572KJ/mol

36g/mol

=5561KJ，
能量的轉化效率=

3600KJ

5561KJ

×100%=64.7%，
答：能量轉化率為64.7%；
（3）燈泡發(fā)光0.5h所需電量為，1.5×10^-3kW×0.5h=7.5×10^-4度，相當于7.5×10^-4×3600KJ=2.7KJ，據(jù)反應2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）+572kJ，所需氫氣物質的量為：

2×2.7

572

=0.009mol，0.009mol×22.4L/mol=0.202L，
答：消耗標準狀況下的H₂0.202L；
（4）圖中H₂換成CH₄時所構成的甲烷燃料電池中，甲烷燃燒生成二氧化碳和水，二氧化碳和氫氧化鉀反應生成碳酸鉀和水，所以電池的反應的離子方程式為：CH₄+2O₂+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O
其中正極上是氧氣得到電子發(fā)生還原反應，電極反應式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；電池總反應的離子方程式減去正極電極反應×2，得到負極電極反應：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；CH₄+2O₂+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O．

點評：本題考查了原電池的工作原理的應用，電極名稱，電極判斷，電極反應，電池反應，熟練掌握原電池的基本知識，分清化合價變化判斷氧化反應、還原反應、電子守恒是解題關鍵．