Question

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置．燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來．它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”．
（1）美國Simons等科學(xué)家發(fā)明了使NH₃直接用于燃料電池的方法，其裝置為用鉑作為電極，加入電解質(zhì)溶液中，其電池反應(yīng)為 4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O
寫出該燃料電池的正極反應(yīng)式

 

（2）以天然氣（假設(shè)雜質(zhì)不參與反應(yīng)）為原料的燃料電池示意圖如圖所示．
①放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式為：

 

②假設(shè)裝置中盛裝100.0mL 3.0mol?L^-1 KOH溶液，放電時參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為8 960mL．放電完畢后，電解質(zhì)溶液中各離子濃度的大小關(guān)系為：

 

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Answer 1

考點：化學(xué)電源新型電池

專題：電化學(xué)專題

分析：（1）燃料電池中氧氣在正極得電子，氨氣易與酸反應(yīng)，所以應(yīng)該選用堿作電解質(zhì)溶液；
（2）①負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，天然氣在負(fù)極放電生成碳酸根離子；
②計算氧氣的物質(zhì)的量，進而計算生成二氧化碳的物質(zhì)的量，根據(jù)n（KOH）與n（CO₂）比例關(guān)系判斷反應(yīng)產(chǎn)物，進而計算溶液中電解質(zhì)物質(zhì)的量，結(jié)合鹽類水解與電離等判斷．

解答： 解：（1）燃料電池中氧氣在正極得電子，氨氣易與酸反應(yīng)，所以應(yīng)該選用堿作電解質(zhì)溶液，則正極的電極反應(yīng)式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
（2）①負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，天然氣在負(fù)極放電生成碳酸根離子，電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為8960mL，物質(zhì)的量為

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，生成二氧化碳為

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與2：1之間，故生成碳酸鉀、碳酸氫鉀，
令碳酸鉀、碳酸氫鉀的物質(zhì)的量分別為xmol、ymol，則x+y=0.2，2x+y=0.3，解得x=0.1，y=0.1，
溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），
碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），
鉀離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點評：本題綜合性較大，涉及原電池原理的應(yīng)用、化學(xué)計算、離子濃度比較等，題目難度中等，是對基礎(chǔ)知識與學(xué)生能力的綜合考查．