Question

设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一．最近有人制造了一种燃料电池，一个极通入空气，另一个极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它在高温下能传导O^2-，回答如下问题：
（1）以丁烷为汽油代表，这个电池放电时发生的化学反应的方程式是：

 

（2）这个电池负极发生的反应是：C₄H₁₀+13O^2--26e^-=4CO₂+5H₂O，正极发生的反应是：

 

固体电解质里O^2-的移动方向是：

 

向外电路释放电子的电极是：

 

（3）人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是：

 

（4）在ZrO₂晶体里掺杂Y₂O₃，用Y³⁺代替晶体里的部分Zr⁴⁺对提高固体电解质的导电能力有帮助，你认为原因是：

 

（5）汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全产生

 

堵塞电极的气体通道，有人估计，完全避免这种副反应至少还需10年，这正是新一代化学家的历史使命．

Answer 1

分析：（1）燃料电池放电时发生的电池反应式和燃料燃烧反应方程式相同；
（2）燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应，电解质溶液中阴离子向负极移动；
（3）原电池具有能量利用率高的特点；
（4）根据离子的移动分析；
（5）丁烷不完全氧化会生成碳粒，从而堵塞电极的气体通道．

解答：解：（1）燃料电池的总反应和燃料燃烧的化学方程式一致，电池总反应为2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，
故答案为：2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O；
（2）极发生还原反应，总反应减负极反应可得正极反应式，为O₂+4e^-=2O^2-；原电池工作时，阴离子向负极移动，电子从负极经外电路流向正极故答案为：O₂+4e^-=2O^2-； 向负极移动；负极；
（3）原电池具有能量利用率高的特点，而燃烧时化学能转变为热能和光能，
故答案为：燃料电池具有较高的能量利用率；
（4）为维持电荷平衡，晶体中的O^2-将减少，从而使O^2-得以在电场作用下向负极移动，所以用Y³⁺代替晶体里的部分Zr⁴⁺对提高固体电解质的导电能力有帮助，
故答案为：为维持电荷平衡，晶体中的O^2-将减少，从而使O^2-得以在电场作用下向负极移动；
（5）烷不完全氧化会生成碳粒，从而堵塞电极的气体通道，故答案为：碳粒．

点评：本题考查了化学电源新型电池，明确原电池原理是解本题关键，难点是电极反应式的书写，难度中等．