化学自习室移动版

化学与物理结合的计算，主要涉及两个公式：

(1)Q＝I×t＝n(e^-)×F，F计算时一般取值96500 C·mol^－1。

(2)W＝U×I×t。

1．[(2015·全国卷Ⅱ，26(1)(2))]酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO₂、ZnCl₂和NH₄Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。

①该电池的正极反应式为____________________。

电池反应的离子方程式为_____________________________。

②维持电流强度为0.5A，电池工作5分钟，理论上消耗锌___________g。(已知F＝96500 C·mol^－1)

[答案]：①MnO₂＋H^＋＋e^-===MnOOH；2MnO₂＋Zn＋2H^＋===2MnOOH＋Zn^2＋②0.05

[解析]：维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，则通过的电量是)Q＝I×t＝0.5×300＝150 C，因此通过电子的物质的量是

，锌在反应中失去2个电子，则理论消耗Zn的质量是

2.新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O^2－)在其间通过。如图所示，其中多孔电极不参与电极反应。

(1)①该电池的负极反应式为_______________。

②如果用该电池作为电解装置，当有16g 甲醇发生反应时，则理论上提供的电量表达式为________C(1个电子的电量为1.6×10^－19C)。

(2)以CH₄(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H₂SO₄作电解质溶液，其负极电极反应式为_______，已知该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3kJ·mol^－1，则该电池的比能量为_____kW·h·kg^－1，（结果保留1位小数，比能量＝，1kW·h＝3. 6×10⁶J)。

[答案]：(1)①CH₃OH－6e^-＋3O₂^－===CO₂＋2H₂O

②0.5 mol×6×1.6×10^－19C×6.02×10²³mol^－1(或2.890×10⁵)

(2)CH₄－8e^-＋2H₂O===CO₂＋8H^＋      13.4

[解析]：甲烷燃料电池中，甲烷在负极被氧化，电解质为硫酸，负极反应式：CH₄－8e^-＋2H₂O===CO₂＋8H^＋，该电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 KJ·mol^－1，

3.二甲醚(CH₃OCH₃)是无色气体，可作为一种新型能源。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为__________________，

一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生________个电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E＝_______________

(列式计算。能量密度＝，1kW·H＝3.6×10⁶J)。

[答案]：CH₃OCH₃－12e^-＋3H₂O===2CO₂＋12H^＋ 12

[解析]：二甲醚直接燃料电池的负极发生氧化反应，反应的电极方程式为：CH₃OCH₃－12e^-＋3H₂O===2CO₂＋12H^＋，显然1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生12个e^-的电量；1 kg 二甲醚的物质的量n=1000/46 mol，可以产生的1000/46×12×6.02×10²³个e^-的电量，1个e^-的电量为1.602×10^－19C。

1 kg 二甲醚输出的电能：

W=UIt=UQ=1.20×1000/46×12×6.02×10²³×1.602×10^－19J

=3.02×10⁷ J=3.02×10⁷/3.6×10⁶(kW·h)=8.39 kW·h
　　二甲醚直接燃料电池能量密度或比能量E=8.39 KW·h·kg^－1

用同样的方法，通过列式计算求出甲醇直接燃料电池的理论输出电压是多少？
　　若电解质为酸性，甲醇直接燃料电池的负极电极反应式为：

CH₃OH＋H₂O－6e^-=CO₂＋6H^＋，1个甲醇分子经过电化学氧化，可以转移6个e^-；1 kg 甲醇的物质的量n=1000/32 mol，可以转移的1000/32×6×6.02×10²³个e^-的电量；
1个e^-的电量是1.602×10^－19C，

1 kg 二甲醚输出的电能：

W=UIt=UQ=U×1000/32×6×6.02×10²³×1.602×10^－19

=1.808×10⁷U=1.808×10⁷/3.6×10⁶U(kW·h·V^－1)

=5.02 U(kW·h·V^－1)

　　已知，甲醇直接燃料电池的能量密度(5.93 KW·H·kg^－1)

E=5.93kW·h·kg^－1=5.02 UkW·H·kg^－1·V^－1U=1.18 V
　　若电解质为NaOH碱性溶液，同理也可算出理论输出电压是1.18 V；根据P=W/T，功率可以由电池输出的电能换算得到，求出比功率。