Question

科學家預言，燃料電池是21世紀獲得電能的重要途徑．一種甲烷燃料電池是采用鉑作電極催化劑，電池中的質子交換膜只允許質子和水分子通過．其工作原理的示意圖如下：
請回答下列問題：
（1）Pt（a）電極是電池的

 

極，其電極反應式為

 

．
Pt（b）電極發(fā)生

 

反應（填“氧化”或“還原”），其電極反應式為

 

．
（2）如果該電池工作時電路中通過2mol電子，則消耗CH₄的物質的量為

 

mol．
（3）25℃、101kPa時，若CH₄在氧氣中直接燃燒生成1mol水蒸氣放熱401kJ，寫出該反應的熱化學方程式

 

；若lg水蒸氣轉化成液態(tài)水放熱2.445kJ，則CH₄的燃燒熱為

 

kJ/mol．

Answer 1

考點：常見化學電源的種類及其工作原理

專題：電化學專題

分析：（1）該原電池中質子交換膜只允許質子和水分子通過，說明電解質溶液為酸性溶液，燃料電池中，通入燃料的電極為負極，負極上失電子發(fā)生氧化反應，通入氧化劑的電極為正極，正極上得電子發(fā)生還原反應；
（2）根據(jù)甲烷和轉移電子之間的關系式計算；
（3）CH₄在氧氣中直接燃燒生成1mol水蒸氣放熱401kJ，生成2mol水蒸氣放出802kJ熱量，據(jù)此寫出其熱化學反應方程式；lg水蒸氣轉化成液態(tài)水放熱2.445kJ，2mol水蒸氣轉化為液態(tài)水放出的熱量為

2.445kJ

1g 2g/mol

×2=9.78kJ，根據(jù)蓋斯定律計算其燃燒熱．

解答： 解：（1）該原電池中質子交換膜只允許質子和水分子通過，說明電解質溶液為酸性溶液，燃料電池中，通入燃料的電極為負極，負極上甲烷失電子和水反應生成二氧化碳和氫離子，電極反應式為：CH₄-8e^-+2H₂O=8H⁺+CO₂，通入氧化劑的電極為正極，正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水而發(fā)生還原反應，
電極反應式為2O₂+8e^-+8H⁺=4H₂O，
故答案為：負；CH₄-8e^-+2H₂O=8H⁺+CO₂；還原；2O₂+8e^-+8H⁺=4H₂O；
（2）負極上電極反應式為CH₄-8e^-+2H₂O=8H⁺+CO₂，根據(jù)甲烷和轉移電子之間的關系式知，該電池工作時電路中通過2mol電子則消耗CH₄的物質的量=

2mol

8

×1=0.25mol，
故答案為：0.25；
（3）CH₄在氧氣中直接燃燒生成1mol水蒸氣放熱401kJ，生成2mol水蒸氣放出802kJ熱量，
所以其熱化學反應方程式為：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3 kJ?mol^{-1 ①}；
lg水蒸氣轉化成液態(tài)水放熱2.445kJ，2mol水蒸氣轉化為液態(tài)水放出的熱量為

2.445kJ

1g 2g/mol

×2=9.78kJ，
2H₂O（g）═2H₂O（l）△H=-9.78kJ/mol②，
將方程式①+②得CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.08kJ/mol，
所以甲烷的燃燒熱為890.08kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3 kJ?mol^-1；890.08．

點評：本題考查了燃料電池及蓋斯定律，根據(jù)離子交換膜通過的微粒確定電解質溶液的酸堿性，再結合正負極上發(fā)生的反應來分析解答，題目難度不大．