甲烷氧气硫酸燃料电池

实验目的

掌握酸性条件下甲烷燃料电池两极反应式的书写和总反应。

实验原理

甲烷在负极失去电子被氧化为 CO₂,氧气在正极得到电子生成水。负极:CH₄ + 2H₂O - 8e- = CO₂ + 8H+;正极:2O₂ + 8H+ + 8e- = 4H₂O;总反应:CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O。

实验器材

• 稀硫酸(电解质溶液)
• 多孔惰性电极(负极)
• 多孔惰性电极(正极)
• 甲烷
• 氧气
• 导线与用电器

实验步骤

1. 观察装置,认出两个电极、稀硫酸和外电路。
2. 向负极通入甲烷,向正极通入氧气。
3. 观察电子在外电路中的流动方向。
4. 观察 H+ 在溶液中向哪一极移动。
5. 写出两极反应式并相加,得到总反应。

实验现象与结论

外电路有电流通过,电子从通甲烷的负极流向通氧气的正极,H+ 向正极移动。负极产生 CO₂,正极生成水。1 mol CH₄ 反应转移 8 mol 电子。结论:甲烷的化学能可直接转化为电能。

注意事项

• 甲烷易燃,与空气混合遇明火可能爆炸。
• 真实实验应在通风良好处进行。

常见问题

酸性甲烷燃料电池负极反应式是什么?

CH₄ + 2H₂O - 8e- = CO₂ + 8H+。

电解质换成氢氧化钾溶液,总反应是什么?

碱性条件下 CO₂ 转化为碳酸盐:CH₄ + 2O₂ + 2KOH = K₂CO₃ + 3H₂O。