Question

美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电池，其构造如图所示；两个电极
均由多孔性碳制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电．
（1）a极是

 

极，b极是

 

极，电极反应式分别为

 

，

 

．
（2）飞船上宇航员的生活用水由燃料电池提供．已知这种电池发1度电时能生成350g水，试计算能量转化率．
[2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）+572kJ]
（3）这种电池的输出电压为1.2V．要使标有1.2V，1.5W的小灯泡连续发光0.5h，应消耗标准状况下的H₂多少升？
（4）氢气是燃料电池最简单的燃料，虽然使用方便，却受到价格和来源的限制．常用的燃料，往往是某些碳氢化合物，如甲烷（天然气）、汽油等．请写出将图中H₂换成CH₄时所构成的甲烷燃料电池中a极的电极反应式：

 

．此时电池内总的反应方程式为

 

．

Answer 1

考点：化学电源新型电池

专题：电化学专题

分析：（1）氢氧燃料电池中，原电池工作时，氢氧燃料电池的总反应为2H₂+O₂=2H₂O；通入氢气的一极a为电源的负极，发生氧化反应，电极反应式为：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，通入氧气的一极b为原电池的正极，电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
（2）依据热化学方程式结合题干条件计算能力转化效率；
（3）求出灯泡发光0.5h所需电量，1度电约3600KJ能量，可以计算出所需氢气的体积；
（4）氢气换成甲烷是甲烷和氧气反应生成二氧化碳和水的氧化还原反应，图中电解质溶液是碱性溶液，依据原电池的原理，结合元素化合价变化分析失电子的物质甲烷在负极a发生氧化反应，氧气再正极b发生还原反应．

解答： 解：（1）氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为电源的负极，通入氧气的一极为原电池的正极，由于电解质溶液呈碱性，则负极电极反应式为：2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O（或H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O），正极电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，
故答案为：负；正；2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O（或H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O）；O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
（2）航天员的生活用水可以由A装置提供，已知这种电池生成350g水时能发电1度（约3600kJ），2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-572kJ?mol^-1 ；理论上生成350g水依据热化学方程式计算为，

350g×572KJ/mol

36g/mol

=5561KJ，
能量的转化效率=

3600KJ

5561KJ

×100%=64.7%，
答：能量转化率为64.7%；
（3）灯泡发光0.5h所需电量为，1.5×10^-3kW×0.5h=7.5×10^-4度，相当于7.5×10^-4×3600KJ=2.7KJ，据反应2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）+572kJ，所需氢气物质的量为：

2×2.7

572

=0.009mol，0.009mol×22.4L/mol=0.202L，
答：消耗标准状况下的H₂0.202L；
（4）图中H₂换成CH₄时所构成的甲烷燃料电池中，甲烷燃烧生成二氧化碳和水，二氧化碳和氢氧化钾反应生成碳酸钾和水，所以电池的反应的离子方程式为：CH₄+2O₂+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O
其中正极上是氧气得到电子发生还原反应，电极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；电池总反应的离子方程式减去正极电极反应×2，得到负极电极反应：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
故答案为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；CH₄+2O₂+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O．

点评：本题考查了原电池的工作原理的应用，电极名称，电极判断，电极反应，电池反应，熟练掌握原电池的基本知识，分清化合价变化判断氧化反应、还原反应、电子守恒是解题关键．