Question

哥本哈根氣候變化峰會自2009年12月7日開幕以來，就被冠以“有史以來最重要的會議”、“改變地球命運的會議”等各種重量級頭銜．縱然世界各國仍就減排問題進行著艱苦的角力，但低碳這個概念幾乎得到了廣泛認同．中國慈善首富陳光標2010年11月5號創(chuàng)作的低碳之歌--《讓我們再回到從前》讓低碳概念融入到每個人的生活之中，減碳是每個人的責任．新能源開發(fā)中的燃料電池是低碳研究的重要領(lǐng)域．
（1）可燃性的有機物和氧氣在理論上都可以作為燃料電池中的反應(yīng)物，現(xiàn)以C_xH_yO_z表示燃料電池中的有機反應(yīng)物，O₂為正極反應(yīng)物，40%的KOH溶液為電解質(zhì)溶液，請寫出C_xH_yO_z-O₂-KOH燃料電池的負極的電極反應(yīng)式：

 

．
（2）茨城大學研制了一種新型的質(zhì)子交換膜二甲醚燃料電池（DDFC），該電池有較高的安全性．電池總反應(yīng)為：CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，電池示意如右圖，下列說法不正確的是：

 

A．a(chǎn)極為電池的負極
B．電池工作時電流由b極沿導線經(jīng)燈泡再到a極
C．電池正極的電極反應(yīng)為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-
D．電池工作時，1mol二甲醚被氧化時有6mol電子轉(zhuǎn)移
（3）若用C₃H₈-O₂-KOH構(gòu)成燃料電池，當有11克丙烷在電池的負極完全反應(yīng)，則在電池的外電路上轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為

 

mol；此過程中放出的總能量為A KJ，并已知1molCO₂與足量KOH溶液反應(yīng)放出的熱量為B KJ．寫出表示丙烷燃燒熱的熱化學方程式．

 

．
（4）將一定數(shù)量的C₃H₈-O₂-KOH燃料電池按一定方式進行串聯(lián)或者并聯(lián)組成電池組以滿足電解需要的電壓．現(xiàn)用該電池組電解500mL某CuSO₄的稀溶液，電解后的溶液需要加入98克Cu（OH）₂才能使溶液恢復到原硫酸銅溶液的濃度和質(zhì)量．若忽略電池組在電解過程中的能量損失，其能量全部用來電解CuSO₄溶液，計算：
①原CuSO₄的溶液的濃度．
②該電池組消耗的丙烷在標準狀況時的體積．

Answer 1

分析：（1）燃料電池中，負極是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)；
（2）A、燃料電池中，通入燃料的電極是負極；
B、電池工作時電流由正極沿導線到負極；
C、燃料電池中，通入燃料的電極是正極；
D．根據(jù)電池反應(yīng)來確定電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目．
（3）根據(jù)丙烷燃燒的化學方程式和熱化學方程式的含義來回答；
（4）根據(jù)反應(yīng)2CuSO₄+2H₂O

通電  .

2Cu↓+O₂↑+2H₂SO₄，電解后的溶液要復原原則是：出什么加什么，需要加入98克Cu（OH）₂才能使溶液恢復到原硫酸銅溶液的濃度和質(zhì)量，說明原溶液中1molCuSO₄溶質(zhì)電解完后，生成的H₂SO₄溶液發(fā)生了電解，即有1molH₂O發(fā)生了電解，進而確定轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目，確定CuSO₄的溶液的濃度，根據(jù)電子守恒來確定該電池組消耗的丙烷的體積．

解答：解：（1）在燃料電池中，正極上是氧氣發(fā)生得電子的反應(yīng)還原反應(yīng)，O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，負極是燃料CxHyOz發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極加上負極反應(yīng)即為總的燃料燃燒反應(yīng)方程式，負極反應(yīng)等于總反應(yīng)減去正極反應(yīng)，即C_xH_yO_z+（6x+y-2z）OH^--（4x+y-2z）e^-=xCO₃^2-+（3x+y-z）H₂O，
故答案為：C_xH_yO_z+（6x+y-2z）OH^--（4x+y-2z）e^-=xCO₃^2-+（3x+y-z）H₂O；
（2）A、燃料電池中，通入燃料二甲醚的電極a是負極，故A正確；
B、電池工作時電流由正極b沿導線到負極a，故B正確；
C、燃料電池中，通入氧氣的電極是正極，在酸性環(huán)境下的電極反應(yīng)為：O₂+4OH^-+4e^-=2H₂O，故C錯誤；
D．根據(jù)電池反應(yīng)CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O可知道電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目是12，故D錯誤．
故選CD；
（3）根據(jù)丙烷燃燒的化學方程式：C₃H₈（g）+5O₂（g）=3 CO₂（g）+4H₂O（l）可知，當消耗44g丙烷時，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是20mol，所以當有11克丙烷在電池的負極完全反應(yīng)，則在電池的外電路上轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為5mol，1molCO₂與足量KOH溶液反應(yīng)放出的熱量為B KJ，則3molCO₂與足量KOH溶液反應(yīng)放出的熱量為3B KJ，當有11克丙烷在電池的負極完全反應(yīng)的過程中放出的總能量為A KJ，所以C₃H₈（g）+5O₂（g）=3 CO₂（g）+4H₂O（l）放出的熱量是（4A-3B）KJ，即C₃H₈（g）+5O₂（g）=3 CO₂（g）+4H₂O（l）；△H=-（4A-3B）KJ/mol，故答案為：5；C₃H₈（g）+5O₂（g）=3 CO₂（g）+4H₂O（l）；△H=-（4A-3B）KJ/mol；
（4）①CuSO4溶液發(fā)生電解的方程式為：2CuSO₄+2H₂O

通電  .

2Cu↓+O₂↑+2H₂SO₄，離開反應(yīng)體系的相當于是CuO，現(xiàn)在要加入98克（1mol）Cu（OH）₂才能使溶液恢復到原硫酸銅溶液的濃度和質(zhì)量，說明原溶液中1molCuSO4溶質(zhì)電解完后，生成的H2SO4溶液發(fā)生了電解，即有1molH₂O發(fā)生了電解，轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)為4mol，當轉(zhuǎn)移4mol電子時，根據(jù)Cu²⁺+2e^-=Cu得知銅離子的物質(zhì)的量為2mol，所以原CuSO₄的溶液的濃度c=

2mol

0.5L

=4mol/L，答：原CuSO₄的溶液的濃度4mol/L；
②根據(jù)丙烷燃燒的化學方程式：C₃H₈（g）+5O₂（g）=3 CO₂（g）+4H₂O（l）可知，當消耗44g丙烷時，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是20mol，即C₃H₈～20e^-，當轉(zhuǎn)移4mol電子時，消耗丙烷的量是0.2mol，體積是0.2mol×22.4L/mol=44.8L，答：該電池組消耗的丙烷在標準狀況時的體積為44.8L．

點評：本題是一道綜合知識題目，考查角度廣，要求學生具有分析和解決問題的能力，難度很大．