高考化学化学能与电能经典压轴题含详细答案.docx

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高考化学化学能与电能经典压轴题含详细答案

2020-2021高考化学化学能与电能-经典压轴题含详细答案

一、化学能与电能

1．二氧化氯（ClO2）具有强氧化性，在工业上常用作水处理剂、漂白剂。

ClO2是一种易溶于水的黄绿色气体，其体积分数超过10%时易引起爆炸。

某研究小组欲用以下三种方案制备ClO2，回答下列问题：

（1）以黄铁矿（FeS2）、氯酸钠和硫酸溶液混合反应制备ClO2，黄铁矿中的硫元素在酸性条件下被ClO3-氧化成SO42-，写出制备ClO2的离子方程式__。

（2）用过氧化氢作还原剂，在硫酸介质中还原NaClO3制备ClO2，并将制得的ClO2用于处理含CN-废水。

实验室模拟该过程的实验装置（夹持装置略）如图所示。

①装置A的名称是__，装置C的作用是__。

②反应容器B应置于30℃左右的水浴中，目的是__。

③通入氮气的主要作用有3个，一是可以起到搅拌作用，二是有利于将ClO2排出，三是__。

④ClO2处理含CN-废水的离子方程式为__，装置E的作用是__。

（3）氯化钠电解法是一种可靠的工业生产ClO2的方法。

①用于电解的食盐水需先除去其中的Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质。

某次除杂操作时，往粗盐水中先加入过量的__（填化学式），至沉淀不再产生后，再加入过量的Na2CO3和NaOH，充分反应后将沉淀一并滤去。

②用石墨做电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2，工作原理如图所示，写出阳极产生ClO2的电极反应式__。

【答案】FeS2+15ClO3-+14H+=15ClO2+Fe3++2SO42-+7H2O恒压漏斗安全瓶提高化学反应速率，同时防止过氧化氢受热分解稀释ClO2，防止其爆炸2CN-+2ClO2=2CO2+N2+2Cl-吸收ClO2等气体，防止污染大气BaCl2Cl--5e-+2H2O=ClO2↑+4H+

【解析】

【分析】

二氧化氯（ClO2）具有强氧化性，在工业上常用作水处理剂、漂白剂。

分别利用无机反应和电解原理制备二氧化氯，三种方法均利用了氧化还原反应。

【详解】

（1）以黄铁矿（FeS2）、氯酸钠和硫酸溶液混合反应制备ClO2，黄铁矿中的硫元素在酸性条件下被ClO3-氧化成SO42-，根据氧化还原反应中电子守恒和元素守恒，可以写出制备ClO2的离子方程式为FeS2+15ClO3-+14H+=15ClO2+Fe3++2SO42-+7H2O。

（2）①装置A的名称为恒压漏洞，装置C为安全瓶，起到防止液体倒吸的作用。

②升高温度可以提高化学反应速率，但是原料中含有过氧化氢，过氧化氢在过高的温度下可以发生分解反应，因此反应容器B应置于30℃左右的水浴中。

③根据题文可知，ClO2是一种易溶于水的黄绿色气体，其体积分数超过10%时易引起爆炸，故通入氮气的主要作用有3个，一是可以起到搅拌作用，二是有利于将ClO2排出，三是稀释ClO2，防止其爆炸。

④ClO2处理含CN-废水发生氧化还原反应，将CN-转化为无污染的CO2和N2，故离子方程式为2CN-+2ClO2=2CO2+N2+2Cl-；装置E在整套装置之后，起到吸收尾气，防止环境污染的作用。

（3）①用于电解的食盐水需先除去其中的Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质，需要过量的碳酸根离子、氢氧根离子和钡离子，过量的钡离子可以用碳酸根离子除去，因此在加入Na2CO3之前应先加入过量BaCl2。

②用石墨做电极，电解池的阳极发生氧化反应，元素化合价升高，因此氯离子在阳极失电子和水反应得到ClO2，电极反应式为Cl--5e-+2H2O=ClO2↑+4H+。

2．方法与规律提炼：

（1）某同学利用原电池装置证明了反应Ag＋＋Fe2＋=Ag＋Fe3＋能够发生，设计的装置如下图所示。

为达到目的，其中石墨为_________极，甲溶液是____________，证明反应Ag＋＋Fe2＋=Ag＋Fe3＋能够发生的实验操作及现象是_________________________

（2）用零价铁（Fe）去除水体中的硝酸盐（NO

）已成为环境修复研究的热点之一。

Fe还原水体中NO3-的反应原理如图所示。

上图中作负极的物质是___________。

正极的电极反应式是______________。

（3）在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如下图所示：

阴极区的电极反应式为_______________。

电路中转移1mol电子，需消耗氧气_______L（标准状况）。

（4）KClO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。

写出电解时阴极的电极反应式___________________电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为_________，其迁移方向是_____________（填a→b或b→a）。

学法题：

通过此题的解答，请归纳总结书写电极反应式的方法____

【答案】负FeSO4或FeCl2溶液分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液，同时滴加KSCN溶液，后者红色加深铁NO3-＋8e－＋10H＋=NH4+＋3H2OFe3+＋e－=Fe2+5.6L2H＋＋2e－=H2↑K+a→b原电池中先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失；注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。

电解池中电极反应式的书写看阳极材料，如果阳极是惰性电极（Pt、Au、石墨），则应是电解质溶液中的离子放电，应根据离子的放电顺序进行书写。

【解析】

【分析】

根据原电池原理，负极发生氧化反应；根据电解池原理，阴极发生还原反应，通过物质的化合价变化判断反应发生原理，阳离子移动方向与电子移动方向相同，据此回答问题。

【详解】

（1）已知电池总反应为反应Ag＋＋Fe2＋=Ag＋Fe3＋，银离子化合价降低，得到电子，作正极，故石墨一侧仅为导电材料，作负极，甲溶液是含Fe2+的溶液，可以为FeSO4或FeCl2溶液。

证明反应能够发生，实际上即证明有Fe3+生成，实验操作及现象是分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液，同时滴加KSCN溶液，后者红色加深。

（2）由图可知，电子从铁电极移到外侧，故铁电极失去电子，发生氧化反应，做负极。

正极NO3-得到电子变为NH4+，NO3-＋8e－＋10H＋=NH4+＋3H2O；

（3）由题可知，HCl失去电子变为Cl2，发生氧化反应，做阳极。

阴极区的电极反应式为Fe3+＋e－=Fe2+，外侧Fe2+与氧气反应4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O，电路中转移1mol电子，需消耗氧气0.25mol，即5.6L（标准状况）。

（4）由图可知，阴极溶液为KOH，根据阳离子放电顺序H+>K+，即电解时阴极的电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑。

阴极得到电子，阳离子向阴极移动，即电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为K+，其迁移方向是a→b。

归纳电极反应式的书写方法：

原电池中先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失；注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。

电解池中电极反应式的书写看阳极材料，如果阳极是惰性电极（Pt、Au、石墨），则应是电解质溶液中的离子放电，应根据离子的放电顺序进行书写。

3．电解原理在化学工业中有广泛应用。

如图表示一个电解池，装有电解液a；X、Y是两块电极板，通过导线与直流电源相连。

请回答以下问题。

若X、Y都是惰性电极，a是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在两边各滴入几滴酚酞溶液，则：

（1）电解池中X极上的电极反应式是____________，在X极附近观察到的现象是_________________。

（2）Y电极上的电极反应式是____________，检验该电极反应产物的方法是____________。

【答案】2H++2e－=H2↑放出气体，溶液变红2Cl－－2e－=Cl2↑把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近，试纸变蓝

【解析】

【详解】

由题意或图像可知，此池为电解池，X极为阴极，Y极为阳极。

电极为惰性电极，饱和NaCl溶液中存在Na+、Cl－、H+、OH－，在阴极上，H+放电能力强于Na+，故阴极上发生的电极反应式为2H++2e－=H2↑，因而导致X极附近有气体放出，溶液呈碱性，溶液颜色由无色变为红色；在阳极上，Cl－放电能力强于OH－，故阳极上发生的电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑。

4．现需设计一套实验装置来电解饱和食盐水,并测量电解产生的氢气的体积（约6mL）和检验氯气的氧化性（不应将多余的氯气排入空气中）。

（1）试从上图图1中选用几种必要的仪器,连成一整套装置,各种仪器接口的连接顺序（填编号）是:

A接______,B接______。

（2）碳棒上发生的电极反应为_______。

（3）能说明氯气具有氧化性的实验现象是_______。

（4）假定装入的饱和食盐水为50mL（电解前后溶液体积变化可忽略）,当测得的氢气为5.6mL（已折算成标准状况）时,溶液的pH为____。

（5）工业上采用离子交换膜法电解饱和食盐水，如上图图2，该离子交换膜是__（填“阳离子”或“阴离子”）交换膜，溶液A是_______（填溶质的化学式）

【答案】G、F、ID、E、C2Cl--2e-=Cl2↑淀粉-KI溶液变成蓝色12阳离子NaOH

【解析】

【分析】

（1）实验的目的是电解饱和食盐水，并测量电解产生的氢气的体积（约6mL）和检验氯气的氧化性，结合装置的作用来连接装置；

（2）实验目的生成氢气和氯气，所以铁应为阴极，碳棒为阳极；

（3）氯气具有氧化性，能氧化碘离子生成碘单质，使淀粉碘化钾溶液变蓝色说明；

（4）电解饱和食盐水的方程式：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑，利用公式c=

来计算NaOH的物质的量浓度，然后求出氢离子的浓度，最后求出pH；

（5）氢气在阴极生成，则b为阴极，a为阳极，阳离子向阴极移动，则离子交换膜允许阳离子通过；a极上氯离子失电子，生成氯气同时溶液中生成NaOH。

【详解】

（1）产生的氢气的体积用排水量气法，预计H2的体积6ml左右，所以选I不选H，导管是短进长出，所以A接G，用装有淀粉碘化钾溶液的洗气瓶检验氯气时，导管要长进短出，所以B接D，氯气要进行尾气处理，即E接C；

（2）实验目的生成氢气和氯气，所以铁应为阴极，连接电源负极，碳棒为阳极，所以炭棒接直流电源的正极，电极反应：

2Cl--2e-═Cl2↑；

（3）氯气具有氧化性，能氧化碘离子生成碘单质，碘单质遇到淀粉变蓝色，使淀粉碘化钾溶液变蓝色说明氯气具有氧化性；

（4）因电解饱和食盐水的方程式：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑，当产生的H2的体积为5.6mL时，物质的量n=

=2.5×10-4mol，生成氢氧化钠的物质的量为5×10-4mol，所以溶液中NaOH的物质的量浓度=

═0.01mol/L，所以氢离子的浓度=

mol/L=1×10-12mol/L，pH=12；

（5）氢气在阴极生成，则b为阴极，a为阳极，阳离子向阴极移动，则离子交换膜允许阳离子通过，所以离子交换膜为阳离子交换膜；a极上氯离子失电子，生成氯气同时溶液中生成NaOH，所以溶液A是NaOH。

【点睛】

分析电解过程的思维程序：

①首先判断阴阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活性电极；②再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴阳离子两组；③然后排出阴阳离子的放电顺序：

阴极:

阳离子放电顺序：

Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>H+；阳极：

活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH-；如果阳极材料是活性金属如Fe或Cu为阳极，则阳极本身被氧化。

5．FeSO4溶液放置在空气中容易变质，因此为了方便使用Fe2＋，实验室中常保存硫酸亚铁铵晶体[俗称“摩尔盐”，化学式为（NH4）2Fe（SO4）2•6H2O]，它比绿矾或绿矾溶液更稳定。

（稳定是指物质放置在空气中不易发生各种化学反应而变质）

I．硫酸亚铁铵晶体的制备与检验

（1）某兴趣小组设计实验制备硫酸亚铁铵晶体。

本实验中，配制溶液以及后续使用到的蒸馏水都必须煮沸、冷却后再使用，这样处理蒸馏水的目的是_______。

向FeSO4溶液中加入饱和（NH4）2SO4溶液，经过操作_______、冷却结晶、过滤、洗涤和干燥后得到一种浅蓝绿色的晶体。

（2）该小组同学继续设计实验证明所制得晶体的成分。

①如图所示实验的目的是_______，C装置的作用是_______。

取少量晶体溶于水，得淡绿色待测液。

②取少量待测液，_______（填操作与现象），证明所制得的晶体中有Fe2＋。

③取少量待测液，经其它实验证明晶体中有NH4＋和SO42－

II．实验探究影响溶液中Fe2＋稳定性的因素

（3）配制0.8mol/L的FeSO4溶液（pH=4.5）和0.8mol/L的（NH4）2Fe（SO4）2溶液（pH=4.0），各取2ml上述溶液于两支试管中，刚开始两种溶液都是浅绿色，分别同时滴加2滴0.01mol/L的KSCN溶液，15分钟后观察可见：

（NH4）2Fe（SO4）2溶液仍然为浅绿色透明澄清溶液；FeSO4溶液则出现淡黄色浑浊。

（资料1）

沉淀

Fe（OH）2

Fe（OH）3

开始沉淀pH

7.6

2.7

完全沉淀pH

9.6

3.7

①请用离子方程式解释FeSO4溶液产生淡黄色浑浊的原因_______。

②讨论影响Fe2＋稳定性的因素，小组同学提出以下3种假设：

假设1：

其它条件相同时，NH4＋的存在使（NH4）2Fe（SO4）2溶液中Fe2+稳定性较好。

假设2：

其它条件相同时，在一定pH范围内，溶液pH越小Fe2＋稳定性越好。

假设3：

_______。

（4）小组同学用如图装置（G为灵敏电流计），滴入适量的硫酸溶液分别控制溶液A（0.2mol/LNaCl）和溶液B（0.1mol/LFeSO4）为不同的pH，

观察记录电流计读数，对假设2进行实验研究，实验结果如表所示。

序号

A：

0.2mol·L－1NaCl

B：

0.1mol·L－1FeSO4

电流计读数

实验1

pH=1

pH=5

8.4

实验2

pH=1

pH=1

6.5

实验3

pH=6

pH=5

7.8

实验4

pH=6

pH=1

5.5

（资料2）原电池装置中，其它条件相同时，负极反应物的还原性越强或正极反应物的氧化性越强，该原电池的电流越大。

（资料3）常温下，0.1mol/LpH=1的FeSO4溶液比pH=5的FeSO4溶液稳定性更好。

根据以上实验结果和资料信息，经小组讨论可以得出以下结论：

①U型管中左池的电极反应式____________。

②对比实验1和2（或3和4）,在一定pH范围内，可得出的结论为____________。

③对比实验____________和____________，还可得出在一定pH范围内溶液酸碱性变化对O2氧化性强弱的影响因素。

④对（资料3）实验事实的解释为____________。

【答案】除去水中溶解的氧气，防止氧化Fe2+蒸发浓缩检验晶体中是否含有结晶水防止空气中水蒸气逆向进入装有无水CuSO4的试管，影响实验结果滴入少量K3[Fe（CN）6]溶液，出现蓝色沉淀（或先滴入2滴KSCN溶液，无明显变化，再加入几滴新制氯水，溶液变成红色）4Fe2++O2+10H2O=4Fe（OH）3↓+8H+当其它条件相同时，硫酸根离子浓度大小影响Fe2+的稳定性。

（或当其它条件相同时，硫酸根离子浓度越大，Fe2+的稳定性较好。

）O2+4e-+4H+=2H2O溶液酸性越强,Fe2+的还原性越弱13（或2和4）其它条件相同时，溶液酸性增强对Fe2+的还原性减弱的影响，超过了对O2的氧化性增强的影响。

故pH=1的FeSO4溶液更稳定。

【解析】

【分析】

I.

（1）亚铁离子具有还原性，在空气中容易被氧化；向FeSO4溶液中加入饱和（NH4）2SO4溶液，需要经过蒸发浓缩，冷却结晶、过滤、洗涤和干燥后得到一种浅蓝绿色的晶体；

（2）①无水硫酸铜遇水变蓝色；空气中也有水蒸气，容易对实验产生干扰；

②检验Fe2+，可以向样品中滴入少量K3[Fe（CN）6]溶液，出现蓝色沉淀，说明存在Fe2+；或先滴入2滴KSCN溶液，无明显变化，再加入几滴新制氯水，溶液变成红色，说明存在Fe2+；

II.（3）①由表可知，pH=4.5的0.8mol/L的FeSO4溶液中，会产生Fe（OH）3沉淀，说明二价铁被氧化成了三价铁，同时和水反应生成Fe（OH）3沉淀；

②0.8mol/L的FeSO4溶液（pH=4.5）和0.8mol/L的（NH4）2Fe（SO4）2溶液中硫酸根的浓度也不同，可以以此提出假设；

（4）①FeSO4中的铁的化合价为+2价，具有还原性，在原电池中做负极，则左池的碳电极做正极，NaCl中溶解的氧气得电子生成，在酸性环境中生成水；

②实验1和2（或3和4）中NaCl溶液的pH相同，FeSO4溶液的pH不同，且FeSO4溶液的pH越小，电流越小，结合原电池装置中，其它条件相同时，负极反应物的还原性越强或正极反应物的氧化性越强，该原电池的电流越大，可以得出结论；

③对比实验1和3（或2和4）发现，FeSO4溶液的pH相同时，NaCl溶液的pH越大，电流越小，结合原电池装置中，其它条件相同时，负极反应物的还原性越强或正极反应物的氧化性越强，该原电池的电流越大，可以得出结论；

④对比实验1和4，NaCl溶液的pH增大酸性减弱，FeSO4溶液的pH减小酸性增强，但是电流却减小，结合②③的结论分析。

【详解】

I.

（1）亚铁离子具有还原性，在空气中容易被氧化，在配制溶液时使用到的蒸馏水都必须煮沸、冷却后再使用，目的是：

除去水中溶解的氧气，防止氧化Fe2+；向FeSO4溶液中加入饱和（NH4）2SO4溶液，需要经过蒸发浓缩，冷却结晶、过滤、洗涤和干燥后得到一种浅蓝绿色的晶体；

（2）①无水硫酸铜遇水变蓝色，该装置的实验目的是：

检验晶体中是否含有结晶水；空气中也有水蒸气，容易对实验产生干扰，需要使用浓硫酸防止空气中水蒸气逆向进入装有无水CuSO4的试管，影响实验结果；

②检验Fe2+，可以向样品中滴入少量K3[Fe（CN）6]溶液，出现蓝色沉淀，说明存在Fe2+；或先滴入2滴KSCN溶液，无明显变化，再加入几滴新制氯水，溶液变成红色，说明存在Fe2+；

II.（3）①由表可知，pH=4.5的0.8mol/L的FeSO4溶液中，会产生Fe（OH）3沉淀，说明二价铁被氧化成了三价铁，同时和水反应生成Fe（OH）3沉淀，离子方程式为：

4Fe2++O2+10H2O=4Fe（OH）3↓+8H+；

②0.8mol/L的FeSO4溶液（pH=4.5）和0.8mol/L的（NH4）2Fe（SO4）2溶液中硫酸根的浓度也不同，0.8mol/L的（NH4）2Fe（SO4）2溶液中硫酸根浓度更大，故可以假设：

当其它条件相同时，硫酸根离子浓度大小影响Fe2+的稳定性；或者当其它条件相同时，硫酸根离子浓度越大，Fe2+的稳定性较好；

（4）①FeSO4中的铁的化合价为+2价，具有还原性，在原电池中做负极，则左池的碳电极做正极，NaCl中溶解的氧气得电子生成，在酸性环境中生成水，故电极方程式为：

O2+4e-+4H+=2H2O；

②实验1和2（或3和4）中NaCl溶液的pH相同，FeSO4溶液的pH不同，且FeSO4溶液的pH越小，电流越小，结合原电池装置中，其它条件相同时，负极反应物的还原性越强或正极反应物的氧化性越强，该原电池的电流越大，可以得出的结论是：

溶液酸性越强，Fe2+的还原性越弱；

③对比实验1和3（或2和4）发现，FeSO4溶液的pH相同时，NaCl溶液的pH越大，电流越小，结合原电池装置中，其它条件相同时，负极反应物的还原性越强或正极反应物的氧化性越强，该原电池的电流越大，可以得出在一定pH范围内溶液的碱性越强，O2氧化性越强；

④对比实验1和4，NaCl溶液的pH增大酸性减弱，FeSO4溶液的pH减小酸性增强，但是电流却减小，结合②③的结论，和其它条件相同时，溶液酸性增强对Fe2+的还原性减弱的影响，超过了对O2的氧化性增强的影响。

故pH=1的FeSO4溶液更稳定。

6．硫酰氯（SO2Cl2）常作氯化剂或氯璜化剂，用于制作药品、染料、表面活性剂等。

有关物质的部分性质如下表：

物质

熔点/℃

沸点/℃

其它性质

SO2Cl2

-54.1

69.1

①易水解，产生大量白雾

②易分解：

SO2Cl2SO2↑+Cl2↑

H2SO4

10.4

338

具有吸水性且不易分解

实验室用干燥而纯净的二氧化硫和氯气合成硫酰氯，反应的化学方程式为SO2（g）+Cl2（g）

SO2Cl2（l）△H=-97.3kJ/mol。

装置如图所示（夹持仪器已省略），请回答有关问题：

（1）仪器B的作用是_____________________。

（2）若无装置乙硫酰氯会发生水解，则硫酰氯水解反应的化学方程式为________________。

（3）写出丁装置中发生反应的化学反应方程式并标出电子的转移__________________。

（4）为提高本实验中硫酰氯的产率，在实验操作中需要注意的事项有_________（填序号）

①先通冷凝水，再通气②控制气流速率，宜慢不宜快

③若三颈烧瓶发烫，可适当降温④加热三颈烧瓶

（5）少量硫酰氯也可用氯磺酸（ClSO3H）分解获得，该反应的化学方程式为________________________，此方法得到的产品中会混有硫酸。

从分解产物中分离出硫酰氯的方法是___________________。

（6）工业上处理SO2废气的方法很多，例如可以用Fe2（SO4）3酸性溶液处理，其工艺流程如下溶液②转化为溶液③发生反应的离子方程式为__________________________；

有的工厂用电解法处理含有SO2的尾气，其装置如下图所示（电极材料均为惰性电极）。

下列说法不正确的是_______

A．电极a连接的是电源的正极

B．若电路中转移0.03mole-，则离子交换膜左侧溶液中增加0.03mol离子

C．图中的离子交换膜是阳离子交换膜

D．阴极的电极反应式为2HSO3-+2e-+2H+==S2O42-+2H2O

【答案】吸收未反应完的氯气和二氧化硫，防止污染空气；防止空气中水蒸气进人甲，防止SO2Cl2水解SO2Cl2+2H2O═H2SO4+2HCl

①②③2ClSO3H＝H2SO4+SO2Cl2蒸馏4H++4Fe2++O2＝4Fe3++2H2OB

【解析】

（1）.甲装置发生的反应是：

SO2（g）+Cl2（g）

SO2Cl2（l），二氧化硫和氯气都是有毒的气体，产物SO2Cl2易水解，所以可以在仪器B中盛放碱石灰，以吸收未反应完的氯气和二氧化硫，防止污染空气，同时还可以防止空气中的水蒸气进入甲装置中，防止SO2Cl2水解，故答案为：

吸收未反应完的氯气和