Question

科学家预言，燃料电池是21世纪获得电能的重要途径．一种甲烷燃料电池是采用铂作电极催化剂，电池中的质子交换膜只允许质子和水分子通过．其工作原理的示意图如下：
请回答下列问题：
（1）Pt（a）电极是电池的

 

极，其电极反应式为

 

．
Pt（b）电极发生

 

反应（填“氧化”或“还原”），其电极反应式为

 

．
（2）如果该电池工作时电路中通过2mol电子，则消耗CH₄的物质的量为

 

mol．
（3）25℃、101kPa时，若CH₄在氧气中直接燃烧生成1mol水蒸气放热401kJ，写出该反应的热化学方程式

 

；若lg水蒸气转化成液态水放热2.445kJ，则CH₄的燃烧热为

 

kJ/mol．

Answer 1

考点：常见化学电源的种类及其工作原理

专题：电化学专题

分析：（1）该原电池中质子交换膜只允许质子和水分子通过，说明电解质溶液为酸性溶液，燃料电池中，通入燃料的电极为负极，负极上失电子发生氧化反应，通入氧化剂的电极为正极，正极上得电子发生还原反应；
（2）根据甲烷和转移电子之间的关系式计算；
（3）CH₄在氧气中直接燃烧生成1mol水蒸气放热401kJ，生成2mol水蒸气放出802kJ热量，据此写出其热化学反应方程式；lg水蒸气转化成液态水放热2.445kJ，2mol水蒸气转化为液态水放出的热量为

2.445kJ

1g 2g/mol

×2=9.78kJ，根据盖斯定律计算其燃烧热．

解答： 解：（1）该原电池中质子交换膜只允许质子和水分子通过，说明电解质溶液为酸性溶液，燃料电池中，通入燃料的电极为负极，负极上甲烷失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子，电极反应式为：CH₄-8e^-+2H₂O=8H⁺+CO₂，通入氧化剂的电极为正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水而发生还原反应，
电极反应式为2O₂+8e^-+8H⁺=4H₂O，
故答案为：负；CH₄-8e^-+2H₂O=8H⁺+CO₂；还原；2O₂+8e^-+8H⁺=4H₂O；
（2）负极上电极反应式为CH₄-8e^-+2H₂O=8H⁺+CO₂，根据甲烷和转移电子之间的关系式知，该电池工作时电路中通过2mol电子则消耗CH₄的物质的量=

2mol

8

×1=0.25mol，
故答案为：0.25；
（3）CH₄在氧气中直接燃烧生成1mol水蒸气放热401kJ，生成2mol水蒸气放出802kJ热量，
所以其热化学反应方程式为：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3 kJ?mol^{-1 ①}；
lg水蒸气转化成液态水放热2.445kJ，2mol水蒸气转化为液态水放出的热量为

2.445kJ

1g 2g/mol

×2=9.78kJ，
2H₂O（g）═2H₂O（l）△H=-9.78kJ/mol②，
将方程式①+②得CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.08kJ/mol，
所以甲烷的燃烧热为890.08kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3 kJ?mol^-1；890.08．

点评：本题考查了燃料电池及盖斯定律，根据离子交换膜通过的微粒确定电解质溶液的酸碱性，再结合正负极上发生的反应来分析解答，题目难度不大．