Question

燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置．燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来．它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”．
（1）美国Simons等科学家发明了使NH₃直接用于燃料电池的方法，其装置为用铂作为电极，加入电解质溶液中，其电池反应为 4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O
写出该燃料电池的正极反应式

 

（2）以天然气（假设杂质不参与反应）为原料的燃料电池示意图如图所示．
①放电时，负极的电极反应式为：

 

②假设装置中盛装100.0mL 3.0mol?L^-1 KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下体积为8 960mL．放电完毕后，电解质溶液中各离子浓度的大小关系为：

 

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Answer 1

考点：化学电源新型电池

专题：电化学专题

分析：（1）燃料电池中氧气在正极得电子，氨气易与酸反应，所以应该选用碱作电解质溶液；
（2）①负极发生氧化反应，天然气在负极放电生成碳酸根离子；
②计算氧气的物质的量，进而计算生成二氧化碳的物质的量，根据n（KOH）与n（CO₂）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断．

解答： 解：（1）燃料电池中氧气在正极得电子，氨气易与酸反应，所以应该选用碱作电解质溶液，则正极的电极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
（2）①负极发生氧化反应，天然气在负极放电生成碳酸根离子，电极反应式为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②参与反应的氧气在标准状况下体积为8960mL，物质的量为

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，
根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为

0.4mol×4

8

=0.2mol，
n（KOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（KOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，介于1：1与2：1之间，故生成碳酸钾、碳酸氢钾，
令碳酸钾、碳酸氢钾的物质的量分别为xmol、ymol，则x+y=0.2，2x+y=0.3，解得x=0.1，y=0.1，
溶液中碳酸根水解，碳酸氢根的水解大于电离，溶液呈碱性，故c（OH^-）＞c（H⁺），
碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），
钾离子浓度最大，水解程度不大，碳酸根浓度原大于氢氧根离子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

点评：本题综合性较大，涉及原电池原理的应用、化学计算、离子浓度比较等，题目难度中等，是对基础知识与学生能力的综合考查．