(10分)设计出燃料电池使天然气CH4氧化直接产生电流是对世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入天然气，电池的电解质是掺杂

Question

(10分)设计出燃料电池使天然气CH ₄ 氧化直接产生电流是对世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入天然气，电池的电解质是掺杂了Y ₂ O ₃ 的ZrO ₂ 晶体，它在高温下能传导O ^{2 －} 离子。回答如下问题：
（1）这个电池的正极发生的反应是：                                  ；(2分)
（2）负极发生的反应是：                                               ；(2分)
（3）固体电解质里的O ^{2 －} 的移动方向是：                                 ；(2分)
（4）天然气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。(2分)
（5）若将此甲烷燃料电池设计成在25%的KOH溶液中的电极反应，该电池的负极区域的碱性会__________(填“增强”、“减弱”或“不变”)。(2分)

Answer 1

（1）O ₂ +4e ^- =2O ^2- （2分）   （2）CH ₄ -8e ^- =CO ₂ +2H ₂ O（2分）
（3）正极流向负极（2分） （4）碳（2分）    （5）减弱（2分）

（1）原电池中正极得到电子，所以氧气在正极通入。又因为电解质是掺杂了Y ₂ O ₃ 的ZrO ₂ 晶体，它在高温下能传导O ^{2 －} 离子，所以正极电极反应式为O ₂ +4e ^- =2O ^2- 。
（2）负极失去电子，因此甲烷在负极通入，甲烷的氧化产物是CO ₂ 和水，所以电极反应式为CH ₄ -8e ^- =CO ₂ +2H ₂ O。
（3）原电池中，负极失去电子，所以阴离子流向负极。
（4）甲烷不完全反应，可能产生碳单质堵塞电极的气体通道。
（5）如果电解质是氢氧化钠，则负极电极反应式为H ₂ －2e ^－ ＋2OH ^－ ＝2H ₂ O，所以负极周围溶液的碱性减弱。