Question

設(shè)計出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是本世紀最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電池，一個電極通入空氣，另一個電極通入汽油蒸氣,電池的電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-，完成如下問題:

（1）以丁烷代表汽油，這個電池放電時發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是:______________________。

（2）這個電池的正極發(fā)生的反應(yīng)是:____________________，負極發(fā)生的反應(yīng)是____________________；固體電解質(zhì)里的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(nèi)燃機里燃燒汽油產(chǎn)生動力的主要原因是________________________________。

（4）你認為在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(zhì)的導(dǎo)電能力會起什么作用？其可能的原因是什么？_______________________________。

（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應(yīng)不完全產(chǎn)生____________，堵塞電極的氣體通道，有人估計，完全避免這種副反應(yīng)至少還需10年時間，這正是新一代化學(xué)家的歷史使命。

Answer 1

(1)2C₄H₁₀+13O₂====8CO₂+10H₂O

(2)O₂+4e^-====2O^2-

C₄H₁₀+13 O^2--26e^-====4CO₂+5H₂O

向負極移動  負極

(3)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。

（5）碳粒

解析：由燃燒的化學(xué)方程式2C₄H₁₀+13O₂8CO₂+10H₂O知，C₄H₁₀在反應(yīng)中被氧化，氧化反應(yīng)在負極上發(fā)生，O₂在反應(yīng)中被還原，在正極上發(fā)生。又由題意知，在電解質(zhì)里由負極向正極移動的為O^2-，故正極反應(yīng)為：O₂+4e^-====2O^2-；負極反應(yīng)為：C₄H₁₀+13 O^2--26e^-====4CO₂+5H₂O。失去的電子通過負極向外電路釋放，由于燃料電池具有較高的能量利用率，故人們正追求它的研究。由兩極反應(yīng)知，反應(yīng)過程中負極附近O^2-不斷消耗，為維護電荷平衡，使O^2-得以在電場作用下向負極移動，所以常在ZrO₂里摻入雜質(zhì)Y₂O₃。