Question

設計出燃料電池使汽油氧化直接產生電流是本世紀最富有挑戰性的課題之一．最近有人制造了一種燃料電池，一個極通入空氣，另一個極通入汽油蒸氣，電池的電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導O^2-，回答如下問題：
（1）以丁烷為汽油代表，這個電池放電時發生的化學反應的方程式是：

 

（2）這個電池負極發生的反應是：C₄H₁₀+13O^2--26e^-=4CO₂+5H₂O，正極發生的反應是：

 

固體電解質里O^2-的移動方向是：

 

向外電路釋放電子的電極是：

 

（3）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內燃機里燃燒汽油產生動力的主要原因是：

 

（4）在ZrO₂晶體里摻雜Y₂O₃，用Y³⁺代替晶體里的部分Zr⁴⁺對提高固體電解質的導電能力有幫助，你認為原因是：

 

（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應不完全產生

 

堵塞電極的氣體通道，有人估計，完全避免這種副反應至少還需10年，這正是新一代化學家的歷史使命．

Answer 1

分析：（1）燃料電池放電時發生的電池反應式和燃料燃燒反應方程式相同；
（2）燃料電池中，負極上燃料失電子發生氧化反應，正極上得電子發生還原反應，電解質溶液中陰離子向負極移動；
（3）原電池具有能量利用率高的特點；
（4）根據離子的移動分析；
（5）丁烷不完全氧化會生成碳粒，從而堵塞電極的氣體通道．

解答：解：（1）燃料電池的總反應和燃料燃燒的化學方程式一致，電池總反應為2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，
故答案為：2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O；
（2）極發生還原反應，總反應減負極反應可得正極反應式，為O₂+4e^-=2O^2-；原電池工作時，陰離子向負極移動，電子從負極經外電路流向正極故答案為：O₂+4e^-=2O^2-； 向負極移動；負極；
（3）原電池具有能量利用率高的特點，而燃燒時化學能轉變為熱能和光能，
故答案為：燃料電池具有較高的能量利用率；
（4）為維持電荷平衡，晶體中的O^2-將減少，從而使O^2-得以在電場作用下向負極移動，所以用Y³⁺代替晶體里的部分Zr⁴⁺對提高固體電解質的導電能力有幫助，
故答案為：為維持電荷平衡，晶體中的O^2-將減少，從而使O^2-得以在電場作用下向負極移動；
（5）烷不完全氧化會生成碳粒，從而堵塞電極的氣體通道，故答案為：碳粒．

點評：本題考查了化學電源新型電池，明確原電池原理是解本題關鍵，難點是電極反應式的書寫，難度中等．