优等生高考化学专题4电化学问题的综合探究.docx

优等生高考化学专题4电化学问题的综合探究.docx

《优等生高考化学专题4电化学问题的综合探究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《优等生高考化学专题4电化学问题的综合探究.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

优等生高考化学专题4电化学问题的综合探究

优等生�高考化学专题4：

电化学问题的综合探究

学校:

___________姓名：

___________班级：

___________考号：

___________

评卷人

得分

一、综合题

1．连二亚硫酸钠（Na2S2O4）俗称保险粉，是一种强还原剂，工业上可通过吸收大气污染物（含有SO2、NO等制取），同时还可得到NH4NO3产品，工艺流程图如下（Ce为铈元素）：

请回答下列问题：

（1）装置I中可生成NaHSO3。

常温下NaHSO3溶液呈酸性的原因是____________。

（2）装置II中酸性条件下，NO被Ce4+氧化为NO3-时，氧化产物与还原产物的物质的量之比为______。

（3）装置III中阴极上的电极反应式为__________。

若装置IV中NO2-的浓度为11.5g·L-1要使1dm3该溶液中的NO2-完全转化为NH4NO3，至少向装置IV中通入标准状况下的O2__________L。

（4）Na2S2O4在空气中容易被氧化，其反应方程式可能为：

①2Na2S2O4+O2+2H2O=4NaHSO3；

②Na2S2O4+O2+H2O=NaHSO3+NaHSO4。

÷

请设计实验证明氧化时一定有反应②发生______________。

（5）SO2一空气质子交换膜燃料电池原理示意图如下：

质子的流动方向为____________（“从A到B”或“从B到A”），负极的电极反应式为____________________。

2．电镀行业产生的酸性含铬废水对环境有污染，其中所含的Cr（VI）是主要污染物，可采用多种方法处理将其除去。

查阅资料可知：

①在酸性环境下，Cr（VI）通常以Cr2O72-的形式存在，Cr2O72-+H2O

2CrO42-+2H+

②Cr2O72-的氧化能力强于CrO42-

③常温下，部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如下表：

阳离子

Fe3+

Fe2+

Cr3+

开始沉淀的pH

1.9

7.0

4.3

沉淀完全的pH

3.2

9.0

5.6

I．腐蚀电池法

（1）向酸性含铬废水中投放废铁屑和焦炭，利用原电池原理还原Cr（VI）。

下列关于焦炭的说法正确的是________（填字母序号）。

a.作原电池的正极b.在反应中作还原剂c.表面可能有气泡产生

II．电解还原法

向酸性含铬废水中加入适量NaCl固体，以Fe为电极电解，经过一段时间，有Cr（OH）3和Fe（OH）3沉淀生成排出，从而使废水中铬含量低于排放标准。

装置如右图所示。

（2）A极连接电源的________极，A极上的电极反应式是________。

（3）电解开始时，B极上主要发生的电极反应为2H++2e-=H2↑，此外还有少量Cr2O72-在B极上直接放电，该反应的电极反应式为________。

（4）电解过程中，溶液的pH不同时，通电时间（t）与溶液中Cr元素去除率的关系如右图所示。

①由图知，电解还原法应采取的最佳pH范围为________。

a.2~4b.4~6c.6~10

②解释曲线I和曲线IV去除率低的原因：

________。

3．CO、SO2是主要的大气污染气体,利用化学反应原理是治理污染的重要方法。

I、甲醇可以补充和部分替代石油燃料,缓解能源紧张。

利用CO可以合成甲醇。

（1）已知：

CO（g）＋1/2O2（g）=CO2（g）△H1=－283.0kJ·mol－1

H2（g）＋1/2O2（g）=H2O（l）△H2=－285.8kJ·mol－1

CH3OH（g）＋3/2O2（g）=CO2（g）＋2H2O（l）△H3=－764.5kJ·mol－1

则CO（g）＋2H2（g）=CH3OH（g）△H=____________kJ·mol－1

（2）一定条件下,在容积为2L的密闭容器中充入1molCO与2molH2合成甲醇平衡转化率与温度、压强的关系如右图所示。

①在2min时测得容器内甲醇的浓度为0.25mol·L－1，则0－2min内CO的平均反应速率为____mol·L－1·min－1，H2的转化率为____。

②由图判断P1_______P2（填“＞”、“<”或“=”）,理由是____________________________________

③该甲醇合成反应在A点的平衡常数K=____

④下列措施中能够同时满足增大反应速率和提高CO转化率的是____。

（填写相应字母）

A、使用高效催化剂b、降低反应温度c、增大体系压强

D、不断将CH3OH从反应混合物中分离出来

Ⅱ、某学习小组以SO2为原料,采用电化学方法制取硫酸。

（3）原电池法:

该小组设计的原电池原理如右图所示。

该电池中右侧为________极，写出该电池负极的电极反应式____。

（4）电解法:

该小组用Na2SO3溶液充分吸收SO2得到NaHSO3溶液,然后电解该溶液制得了硫酸。

原理如右图所示。

写出开始电解时阳极的电极反应式____________________

4．

（1）已知:

2SO2（g）+O2（g）

2SO3（g）△H=-XkJ/mol；

2NO（g）+O2（g）

2NO2（g）△H=-YkJ/mol。

则反应NO（g）+SO2（g）

SO3（g）+NO（g）的△H=______kJ/mol。

（2）甲烷是一种高效清洁的新能源，0.25mol甲烷完全燃烧生成液态水时放出热量222.5kJ，则甲烷燃烧的热化学方程式为____________。

（3）以KOH溶液为电解质溶液，依据

（2）中反应设计一个原电池，其负极反应式为_______；以H2SO4溶液为电解质溶液，将甲烷燃料电池中的甲烷改为C2H5OH，其负极反应式为_________。

（4）以上述甲烷燃料电池为电源，用铂电极电解1LCu（NO3）2和KNO3混合溶液，通电一段时间，两极均产生11.2L（标准状况）气体。

则电解后溶液的pH为______（电解过程中溶液体积不变），原混合溶液中Cu2+的物质的量浓度为___________，假设电解过程中能量利用率为80%，在甲烷燃料电池中消耗的甲烷在标准状况下的体积为________L。

5．开发新能源是解决环境污染的重要举措，其中甲醇、乙醇、甲烷都是优质的清洁燃料，可制作燃料电池。

（1）已知：

①C2H5OH（l）＋3O2（g）＝2CO2（g）＋3H2O（g）ΔH1＝－1366.8kJ/mol

②2CO（g）＋O2（g）＝2CO2（g）ΔH2＝－566.0kJ/mol

③H2O（g）＝H2O（l）ΔH3＝－44kJ/mol。

乙醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为：

______________________。

（2）可利用甲醇燃烧反应设计一个燃料电池。

如下图1，用Pt作电极材料，用氢氧化钾溶液作电解质溶液，在两个电极上分别充入甲醇和氧气。

①写出燃料电池负极的电极反应式_________________。

②若利用该燃料电池提供电源，与图1右边烧杯相连，在铁件表面镀铜，则铁件应是_______极（填“A”或“B”）；当铁件的质量增重6.4g时，燃料电池中消耗氧气的标准状况下体积为________L。

（3）某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后如上图2作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验若每个电池甲烷通入量为1L（标准状况），且反应完全，则理论上通过电解池的电量表达式为_____________（法拉第常数F＝9.65×l04C/mol），最多能产生的氯气体积为_____L（标准状况）。

（4）电解法可消除甲醇对水质造成的污染，原理是：

通电将Co2+在阳极氧化成Co3+，生成的Co3+将甲醇氧化成CO2和H+（用石墨烯除去Co2+），现用如图3所示装置模拟上述过程，则Co2+在阳极的电极反应式为________________________除去甲醇的离子方程式为______________________________。

6．金属镁可用于制造合金、储氢材料、镁电池等。

已知:

 C（s）+

O2（g）=CO（g）△H=-110.5kJ/mol；

Mg（g）+

O2（g）=MgO（s） △H=-732.7kJ/mol。

（1）一种制备镁的反应为MgO（s）+C（s）=Mg（g）+CO（g）,该反应的△H=____________。

（2）一种用水氯镁石（主要成分为MgC12·6H2O） 制各金属镁工艺的关键流程如下:

①为探究MgCl2·6H2O“一段脱水”的合理温度范围，某科研小组将MgCl2·H2O在不同温度下分解，测得残留固体物质的X-射线衔射谱图如下图所示（X-射线衔射可用于判断某晶态物质是否存在）。

测得E中Mg元素质量分数为60.0%,则E 的化学式为_____。

“一段脱水”的目的是制备MgC12·2H2O，温度不高于180℃的原因是_______________。

②若电解时电解槽中有水分，则生成的MgOHCl与阴极产生的Mg反应，使阴极表面产生MgO钝化膜,降低电解效率。

生成MgO的化学方程式为_________________。

③该工艺中，可以循环使用的物质有_______________。

（3）Mg2Ni是一种储氢材料。

2.14gMg2Ni在一定条件下能吸收0.896LH2 （标准状况下）生成X，X的化学式为______________。

（4）“镁—次氯酸盐”燃料电池的装置如图所示，该电池反应的总反应方程式为__________。

参考答案

1．HSO3-在溶液中存在电离平衡和水解平衡：

HSO3-

SO32-+H+，HSO3-+H2O

H2SO3+OH-，由于HSO3-的电离程度大于水解程度，故溶液中的c（H+）＞c（OH-），溶液呈酸性1:

32HSO3-+2e-+2H+=S2O42-+2H2O2.8取少量固体溶于水中，加入BaCl2溶液，有白色沉淀产生，则证明是②（或取少量固体溶于水中，若闻到刺激性气味，则证明是②）从A到BSO2-2e-+2H2O=SO42-+4H+

【解析】

（1）在NaHSO3溶液中HSO3-即电离又水解：

HSO3-

SO32-+H+，H2O

H2SO3+OH-，由于HSO3-的电离程度大于水解程度，故溶液中的C（H+）>c（OH-），溶液呈酸性

（2）NO被氧化为硝酸根，Ce4+被还原为Ce3+，酸性环境，缺氧补水，缺氢补氢离子，反应的离子方程式为NO+2H2O+3Ce4+=3Ce3++NO3-+4H+，氧化产物NO3-与还原产物Ce3+的物质的量之比为1:

3；

（3）电解槽阴极发生还原反应，SO32-被还原为S2O42-，电极反应式为：

2SO32-+2H2O-2e-═S2O42-+4OH-；NO2-的浓度为11.5g•L-1，要使1dm3该溶液中的NO2-完全转化为NH4NO3，则失去电子数目是：

×2，设消耗标况下氧气的体积是V，则得到电子数目是：

×4，根据电子守恒：

×2=

×4，解得V=2.8L；

（4）取少量固体溶于水中，加人BaCl2溶液，有白色沉淀产生，此沉淀为BaSO4，说明溶液中含有SO42-，即可证明氧化时一定有反应②发生；

（5）二氧化硫发生氧化反应，氧气发生还原反应，所以二氧化硫所在电极为负极，氧气所在电极为正极，原电池中阳离子移向正极，所以质子移动方向为：

从A到B；负极上SO2被氧化为SO42-时发生的电极反应为SO2-2e-+2H2O=SO42-+4H+。

2．ac正Fe–2e-

Fe2+Cr2O72-+6e-+14H+

2Cr3++7H2Ob曲线I的pH较小，此时Cr（IV）被还原生成的Cr3+难以生成Cr（OH）3沉淀，仍以Cr3+存在于溶液中，导致去除率较低；曲线IV的pH较大，铬元素主要以CrO42-存在，其氧化能力弱于Cr2O72-，Cr（IV）难以被还原继而生成沉淀，导致去除率较低

【解析】I.

（1）.向酸性含铬废水中投放废铁屑和焦炭，利用原电池原理还原Cr（VI），Fe在反应中失电子作负极，则焦炭为正极，正极材料被保护，Cr2O72-在正极得到电子生成Cr3+，当Cr2O72-完全反应后，溶液中的H+也可能在正极得到电子生成H2，故答案为：

ac；

II.

（2）.向酸性含铬废水中加入适量NaCl固体，以Fe为电极电解，经过一段时间，有Cr（OH）3和Fe（OH）3沉淀生成，因Fe为电极进行电解时，阳极是活性电极，则Fe失电子，由装置图可知，A为阳极，则A连接电源的正极，在A极上发生的反应为：

Fe–2e-=Fe2+，故答案为：

正；Fe–2e-=Fe2+；

（3）.根据题目信息可知，Cr2O72-在B极上得电子生成Cr3+，该反应的电极反应式为Cr2O72-+6e-+14H+=2Cr3++7H2O，故答案为：

Cr2O72-+6e-+14H+=2Cr3++7H2O；

（4）.①.据图可知，当溶液的pH处于4~6时，Cr元素去除率较高，故答案为：

b；

②.根据题中所给阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH可知，曲线I的pH较小，此时Cr（IV）被还原生成的Cr3+难以生成Cr（OH）3沉淀，仍以Cr3+存在于溶液中，导致去除率较低，曲线IV的pH较大，铬元素主要以CrO42-存在，其氧化能力弱于Cr2O72-，Cr（IV）难以被还原而生成沉淀，导致去除率较低，故答案为：

曲线I的pH较小，此时Cr（IV）被还原生成的Cr3+难以生成Cr（OH）3沉淀，仍以Cr3+存在于溶液中，导致去除率较低；曲线IV的pH较大，铬元素主要以CrO42-存在，其氧化能力弱于Cr2O72-，Cr（IV）难以被还原继而生成沉淀，导致去除率较低。

3．-90.10.12550%<甲醇的合成反应是气体分子数减小的反应，相同温度下，增大压强转化率提高48C正SO2-2e-+2H2O=SO42-+4H+HSO3--2e-+H2O=SO42-+3H+

【解析】I、

（1）已知：

①CO（g）＋1/2O2（g）=CO2（g）△H1=－283.0kJ·mol－1

②H2（g）＋1/2O2（g）=H2O（l）△H2=－285.8kJ·mol－1

③CH3OH（g）＋3/2O2（g）=CO2（g）＋2H2O（l）△H3=－764.5kJ·mol－1

由①+②

2-③得CO（g）＋2H2（g）=CH3OH（g），所以△H=（－283.0kJ·mol－1）+（－285.8kJ·mol－1）

2-（－764.5kJ·mol－1）=-90.1kJ·mol－1.

（2）①一定条件下,在容积为2L的密闭容器中充入1molCO与2molH2合成甲醇，则CO与H2的起始浓度分别为0.5mol/L和1mol/L。

CO（g）＋2H2（g）=CH3OH（g），在2min时测得容器内甲醇的浓度为0.25mol·L－1。

由化学方程式可知，0－2min内CO浓度的变化量与甲醇相同，则用CO表示的平均反应速率为

=0.125mol·L－1·min－1。

反应物的投料比与化学计量为数之比相同，所以H2的转化率与CO相同，均为

.

②由图判断P1

③由图像可知，该甲醇合成反应中CO的转化率在A点为0.75，CO与H2、甲醇的浓度变化量分别为0.375mol/L和0.75mol/L、0.375mol/L，CO与H2的平衡浓度分别为0.125mol/L和0.25mol/L，平衡常数K=

48.

④增大体系压强能够同时满足增大反应速率和提高CO转化率，选C。

Ⅱ、（3）由图中信息可知，左侧二氧化硫发生氧化反应生成硫酸根，右侧氧气发生还原反应生成水，总反应为2SO2+O2+2H2O=2H2SO4。

因此，该电池中右侧为正极，该电池负极的电极反应式为SO2-2e-+2H2O=SO42-+4H+。

（4）由图中信息可知，在阳极室中，硫酸氢根被氧化为硫酸根离子；在阴极室中，氢离子放电生成氢气发生还原反应。

所以，开始电解时阳极的电极反应式HSO3--2e-+H2O=SO42-+3H+。

4．

CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）ΔH=−890kJ/molCH4+10OH−−8e−=

+7H2OC2H5OH−12e−+3H2O=2CO2+12H+00.5mol/L7

【解析】

（1）①2S02（g）+O2（g）

2S03（g）△H=-XkJ/mol；②2NO（g）+O2（g）

2NO2（g）△H=-YkJ/mol。

由（②-①）/2得，NO（g）+SO2（g）

SO3（g）+NO（g），则反应的△H=

kJ/mol。

（2）由0.25mol甲烷完全燃烧生成液态水时放出热量222.5kJ，可以求出1mol甲烷完全燃烧生成液态水时放出热量890kJ，则甲烷燃烧的热化学方程式为CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）ΔH=−890kJ/mol。

（3）以KOH溶液为电解质溶液，依据

（2）中反应设计一个原电池，则总反应为CH4+2O2+2OH-=

+3H2O（l），其正极反应为2O2+4e-+4H2O=4OH-，所以负极反应式为CH4+10OH−−8e−=

+7H2O；以H2SO4溶液为电解质溶液，将甲烷燃料电池中的甲烷改为C2H5OH，其负极反应式为C2H5OH−12e−+3H2O=2CO2+12H+。

（4）以上述甲烷燃料电池为电源，用铂电极电解1LCu（NO3）2和KNO3混合溶液，通电一段时间，两极均产生11.2L（标准状况）气体，根据电解原理可知，阳极生成氧气、阴极生成氢气，其物质的量均为0.5mol。

由于阳极只有氢氧根离子放电生成氧气，由阳极的电极反应式2H2O-4e-=O2↑+4H+可知，生成0.5molO2时转移电子2mol。

根据电子转移守恒可知，阴极生成0.5molH2时，转移1mole-，所以阴极一定还析出了0.5molCu。

由析出铜的总反应2Cu2++2H2O=O2↑+2Cu+4H+可知，阴极析出0.5molCu的同时生成1molH+，则电解后溶液中c（H+）=1mol/L，所以溶液的pH为0，原混合溶液中Cu2+的物质的量浓度为0.5mol/L。

因为电解过程中能量利用率为80%，则在甲烷燃料电池中转移电子的物质的量为2mol

80%=2.5mol，消耗的甲烷的物质的量为2.5mol

8=0.3125mol，0.3125mol甲烷在标准状况下的体积为7L。

点睛：

本题考查的燃料电池负极反应式的书写是一个难点，直接书写一般是比较困难的，而正极的电极反应式通常比较简单。

所以，我们通常先写出总反应，然后写正极反应式，最后用总反应减去正极反应式，即可得到负极反应式。

要注意溶液的酸碱性对电极反应极总反应的影响。

对于电解后溶液的pH计算，要根据电解总反应进行，不能仅根据阳极反应或阴极反应进行，因为忽略溶液体积变化，在电解水的过程中，溶液中氢离子和氢氧根离子的物质的量都是不变的。

5．C2H5OH（l）＋2O2（g）＝2CO（g）＋3H2O（l）ΔH1＝－932.8kJ/molCH3OH－6e－+8OH－＝CO32－＋6H2OB1.12

4Co2+－e－＝Co3+（或6Co2+－6e－＝6Co3+）6Co3++CH3OH+H2O＝6Co2++CO2↑+6H+

【解析】

（1）已知：

①C2H5OH（l）＋3O2（g）＝2CO2（g）＋3H2O（g）ΔH1＝－1366.8kJ/mol，②2CO（g）＋O2（g）＝2CO2（g）ΔH2＝－566.0kJ/mol，③H2O（g）＝H2O（l）ΔH3＝－44kJ/mol。

乙醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为：

由盖斯定律方程式①-②+③×3得到C2H5OH（l）＋2O2（g）＝2CO（g）＋3H2O（l）ΔH1＝（-1366.8kJ·mol－1）-（-566kJ·mol－1）+（-44kJ·mol－1）×3=-－932.8kJ/mol。

（2）①CH3OH作还原剂，失电子，燃料电池负极的电极反应式：

CH3OH－6e－+8OH－＝CO32－＋6H2O；②若利用该燃料电池提供电源，与图1右边烧杯相连，B与电池的负极相连，是阴极，A是阳极；在铁件表面镀铜，则铁件应是阴极，故选B。

根据得失电子守恒：

2Cu～O2，当铁件的质量增重6.4g时，燃料电池中消耗氧气6.4g/（2×64g·mol－1）==0.05mol，标准状况下体积为22.4L·mol－1×0.05mol=1.12L；（3）根据得失电子守恒，可得：

1molCH4～8mole－～4molCl2，故若每个电池甲烷通入量为1L（标准状况），生成4LCl2；电解池通过的电量为

×8×9.65×l04C·mol－1=3.45×104C（题中虽然有两个燃料电池，但电子的传递量只能用一个池的甲烷量计算）。

（5）通电后，将Co2＋氧化成Co3＋，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co2＋-e－=Co3＋；以Co3＋做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化，自身被还原为Co2＋，结合原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H＋，配平书写离子方程式为：

6Co3＋+CH3OH+H2O=CO2↑+6Co2＋+6H＋。

6．+622.2kJ/molMgO若温度太高，MgCl2转化为MgOHC1或MgO2MgOHC1+Mg=2MgO+MgCl2+H2↑HC1、Cl2Mg2NiH4Mg+C1O-+H2O==Mg（OH）2+C1-

【解析】

（1）①C（s）+

O2（g）=CO（g）△H=-110.5kJ/mol；②Mg（g）+

O2（g）=MgO（s） △H=-732.7kJ/mol。

由①-②得，MgO（s）+C（s）=Mg（g）+CO（g），所以该反应的△H=（-110.5kJ/mol）-（-732.7kJ/mol）=+622.2kJ/mol。

（2）①由题意可知，图中各峰线代表的都是某种纯净物。

因为MgCl2·6H2O在加热过程中可以溶解在其结晶水中并发生水解，而且温度越高其水解程度越大，水解生成的氢氧化镁在受热时会发生分解生成氧化镁。

因为MgO中Mg元素质量分数为60.0%，现测得E中Mg元素质量分数为60.0%，所以E 可确定为MgO。

“一段脱水”的目的是制备MgC12·2H2O，由图中信息及前面推断结果可知，在129℃“一段脱水”的主要产物是MgC12·2H2O，在235℃和415℃脱水的主要产物分别为MgOHC1和MgO，所以温度不高于180℃的原因是：

若温度太高，MgCl2转化为MgOHC1或MgO。

②由题意知，MgOHCl与Mg反应，生成MgO钝化膜，镁的化合价升高了，只有H元素的化合价可以降低，故生成MgO的化学方程式为2MgOHC1+Mg=2MgO+MgCl2+H2↑。

③该工艺中，二段脱水需要HCl气流抑制氯化镁发生水解反应，脱水的产物中含有HCl；HCl是由氯气和氢气合成的，电解熔融的氯化镁可以得到Cl2，所以可以循环使用的物质有HC1、Cl2。

（3）Mg2Ni是一种储氢材料。

2.14gMg2Ni在一定条件下能吸收0.896LH2 （标准状况下）生成X。

2.14gMg2Ni的物质的量为0.02mol，其中含n（Mg）=0.04m