酸性甲烷燃料电池

实验目的

会判断酸性甲烷燃料电池的正负极,并进行电子转移的简单计算。

实验原理

负极:CH₄ + 2H₂O - 8e- = CO₂ + 8H+;正极:2O₂ + 8H+ + 8e- = 4H₂O;总反应:CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O。负极区生成 H+,正极区消耗 H+,H+ 由负极区向正极区迁移。

实验器材

• 酸性电解质溶液(稀硫酸)
• 负极电极(通入甲烷)
• 正极电极(通入氧气)
• 外电路与用电器

实验步骤

1. 确认通入甲烷的一极为负极,通入氧气的一极为正极。
2. 观察电子从负极经外电路流向正极。
3. 观察 H+ 在溶液中由负极区向正极区移动。
4. 分别写出两极反应式,检查电子是否守恒。
5. 由总反应计算消耗甲烷和氧气的量。

实验现象与结论

外电路持续有电流,负极放出 CO₂,正极生成水。每消耗 1 mol CH₄,消耗 2 mol O₂,转移 8 mol 电子。电池反应生成水,电解质溶液被稀释,酸性略有减弱。

注意事项

• 甲烷为易燃气体,真实实验须严禁明火。

常见问题

酸性甲烷燃料电池中 H+ 向哪一极移动?

向正极移动,因为正极反应要消耗 H+。

标准状况下 22.4 L 甲烷反应消耗多少氧气?

消耗 44.8 L 氧气(标准状况),转移 8 mol 电子。