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一．3年前有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气．电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它在高温下能传导O^2-离子．回答如下问题：
（1）以丁烷代表汽油，这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是

 

．
（2）这个电池的负极发生的反应是

 

；固体电解质里的O^2-的移动方向是

 

．
（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）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年时间，正是新一代化学家的历史使命．
（5）你认为ZrO₂晶体里掺杂Y₂O₃用Y³⁺代替晶体里部分Zr⁴⁺对提高固体电解质的导电能力起什么作用？其可能的原因是

 

．

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）丁烷不完全氧化会生成碳粒，从而堵塞电极的气体通道．
（5）根据离子的移动分析．

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）燃料电池中，负极上燃料丁烷失电子发生氧化反应，即C₄H₁₀+13O^2--26e^-═4CO₂+5H₂O（或C₄H₁₀+26O^2--52e^-═8CO₂+10H₂O），电解质溶液中阴离子向负极移动，所以固体电解质里的O^2-的移动方向是由正极流向负极，
故答案为：C₄H₁₀+13O^2--26e^-═4CO₂+5H₂O（或C₄H₁₀+26O^2--52e^-═8CO₂+10H₂O）；由正极流向负极；
（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）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．
（5）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．

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．