Question

美國(guó)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(xué)電池，其構(gòu)造如圖所示；兩個(gè)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(yīng)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(shí)能生成350g水，試計(jì)算能量轉(zhuǎn)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(biāo)有1.2V，1.5W的小燈泡連續(xù)發(fā)光0.5h，應(yīng)消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的H₂多少升？
（4）氫氣是燃料電池最簡(jiǎn)單的燃料，雖然使用方便，卻受到價(jià)格和來(lái)源的限制．常用的燃料，往往是某些碳?xì)浠�合物，如甲烷（天然氣）、汽油等．�?qǐng)寫(xiě)出將圖中H₂換成CH₄時(shí)所構(gòu)成的甲烷燃料電池中a極的電極反應(yīng)式：

 

．此時(shí)電池內(nèi)總的反應(yīng)方程式為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)電源新型電池

專題：電化學(xué)專題

分析：（1）氫氧燃料電池中，原電池工作時(shí)，氫氧燃料電池的總反應(yīng)為2H₂+O₂=2H₂O；通入氫氣的一極a為電源的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)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(yīng)式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
（2）依據(jù)熱化學(xué)方程式結(jié)合題干條件計(jì)算能力轉(zhuǎn)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(jì)算出所需氫氣的體積；
（4）氫氣換成甲烷是甲烷和氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水的氧化還原反應(yīng)，圖中電解質(zhì)溶液是堿性溶液，依據(jù)原電池的原理，結(jié)合元素化合價(jià)變化分析失電子的物質(zhì)甲烷在負(fù)極a發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣再正極b發(fā)生還原反應(yīng)．

解答： 解：（1）氫氧燃料電池中，通入氫氣的一極為電源的負(fù)極，通入氧氣的一極為原電池的正極，由于電解質(zhì)溶液呈堿性，則負(fù)極電極反應(yīng)式為：2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O（或H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O），正極電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，
故答案為：負(fù)；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(shí)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(xué)方程式計(jì)算為，

350g×572KJ/mol

36g/mol

=5561KJ，
能量的轉(zhuǎn)化效率=

3600KJ

5561KJ

×100%=64.7%，
答：能量轉(zhuǎn)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(dāng)于7.5×10^-4×3600KJ=2.7KJ，據(jù)反應(yīng)2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）+572kJ，所需氫氣物質(zhì)的量為：

2×2.7

572

=0.009mol，0.009mol×22.4L/mol=0.202L，
答：消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的H₂0.202L；
（4）圖中H₂換成CH₄時(shí)所構(gòu)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(yīng)生成碳酸鉀和水，所以電池的反應(yīng)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(yīng)，電極反應(yīng)式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；電池總反應(yīng)的離子方程式減去正極電極反應(yīng)×2，得到負(fù)極電極反應(yīng)：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；CH₄+2O₂+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了原電池的工作原理的應(yīng)用，電極名稱，電極判斷，電極反應(yīng)，電池反應(yīng)，熟練掌握原電池的基本知識(shí)，分清化合價(jià)變化判斷氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、電子守恒是解題關(guān)鍵．