Question

3．以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛的研究，右图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池的工作原理示意图．回答下列问题：
①A极为电池正极，
电极反应式为O₂+4e^-=2O^2-．
②若用该燃料电池作电源，用石墨作电极电解100mL1mol•L^-1的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗的甲烷的体积为1.12L（标准状况下）．

Answer 1

分析 ①由阴离子移动方向可知B为负极，负极发生氧化反应，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，A极是正极，该电极上是氧气得电子的还原反应；
②开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒列方程计算，再根据电子转移守恒计算消耗的甲烷；根据电池中的能量转化率分析．

解答 解：①由阴离子移动方向可知B为负极，负极发生氧化反应，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，电极方程式为CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O，A极是正极，该电极上是氧气得电子的还原反应，电极方程式为O₂+4e^-=2O^2-，故答案为：正；O₂+4e^-=2O^2-；
②硫酸铜的物质的量=0.1L×2mol/L=0.2mol，开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案为：1.12L．

点评 本题综合考查电化学知识，为高频考点，侧重于学生的分析、计算能力的考查，解答本题要注意把握原电池的工作原理，把握电极方程式的书写，题目难度中等．