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高考化学化学能与电能综合题及答案

2020-2021高考化学化学能与电能综合题及答案

一、化学能与电能

1．硝酸是氧化性酸，其本质是NO3－有氧化性，某课外实验小组进行了下列有关NO3－氧化性的探究（实验均在通风橱中完成）。

实验装置

编号

溶液X

实验现象

实验Ⅰ

6mol·L-1稀硝酸

电流计指针向右偏转，铜片表面产生无色气体，在液面上方变为红棕色。

实验Ⅱ

15mol·L-1浓硝酸

电流计指针先向右偏转，很快又偏向左边，铝片和铜片表面产生红棕色气体，溶液变为绿色。

（1）实验Ⅰ中，铝片作____________（填“正”或“负”）极。

液面上方产生红棕色气体的化学方程式是____________。

（2）实验Ⅱ中电流计指针先偏向右边后偏向左边的原因是________________。

查阅资料：

活泼金属与1mol·L-1稀硝酸反应有H2和NH4+生成，NH4+生成的原理是产生H2的过程中NO3－被还原。

（3）用上图装置进行实验Ⅲ：

溶液X为1mol·L-1稀硝酸溶液，观察到电流计指针向右偏转。

①反应后的溶液中含NH4+。

实验室检验NH4+的方法是________。

②生成NH4+的电极反应式是________。

（4）进一步探究碱性条件下NO3－的氧化性，进行实验Ⅳ：

①观察到A中有NH3生成，B中无明显现象。

A、B产生不同现象的解释是________。

②A中生成NH3的离子方程式是________。

（5）将铝粉加入到NaNO3溶液中无明显现象，结合实验Ⅲ和Ⅳ说明理由________。

【答案】负2NO+O2=2NO2Al开始作电池的负极，Al在浓硝酸中迅速生成致密氧化膜后，Cu作负极取少量待检溶液于试管中，加入浓NaOH溶液，加热，若产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体，则溶液中含NH4+NO3-＋8e-＋10H+＝NH4+＋3H2OAl与NaOH溶液反应产生H2的过程中可将NO3-还原为NH3，而Mg不能与NaOH溶液反应8Al＋3NO3-＋5OH-＋2H2O＝3NH3↑＋8AlO2-因为铝与中性的硝酸钠溶液无生成H2的过程，NO3－无法被还原

【解析】

【分析】

【详解】

（1）实验Ⅰ中，由于Al的金属活动性比Cu强，因此Al做负极。

铜片表面产生的无色气体是NO，在液体上方NO被空气中的氧气氧化成红棕色的NO2，方程式为2NO+O2=2NO2；

（2）实验Ⅱ中，Al的金属活动性比Cu强，Al开始作电池的负极，电流计指针先偏向右边；由于Al在浓硝酸中迅速生成致密氧化膜，阻止了内层金属的进一步反应，因此，Cu作负极，电流计指针偏向左边；

（3）①实验室检验NH4+有两种常用方法：

方法一，取少量待检溶液于试管中，加入浓NaOH溶液，加热，若产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体，则溶液中含NH4+；方法二，取少量待检溶液于试管中，加入浓NaOH溶液，加热，并在试管口放一蘸有浓盐酸的玻璃棒，若有白烟生成，证明溶液中含NH4+；②NH4+的生成是NO3－被还原的结果，其电极反应式为NO3-＋8e-＋10H+＝NH4+＋3H2O

（4）①观察到A中有NH3生成，是由于Al与NaOH溶液反应产生H2，并且与此同时，H2可将NO3-还原为NH3；B中无现象是由于Mg与NaOH溶液不反应；②A中生成NH3的离子方程式为8Al＋3NO3-＋5OH-＋2H2O＝3NH3↑＋8AlO2-；

（5）铝与中性的硝酸钠溶液不能生成H2，NO3－无法被还原，因此将铝粉加入到NaNO3溶液中无明显现象。

2．电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法：

保持污水的pH在5.0~6.0之间，通过电解生成Fe（OH）3沉淀。

Fe（OH）3有吸附性，可吸附污物而沉积下来，具有净化水的作用。

阴极产生的气泡把污水中悬浮物带到水面形成浮渣层，刮去（或撇掉）浮渣层，即起到了浮选净化的作用。

某科研小组用电浮选凝聚法处理污水，设计装置示意图，如图所示。

（1）实验时若污水中离子浓度较小，导电能力较差，产生气泡速率缓慢，无法使悬浮物形成浮渣。

此时，应向污水中加入适量的__________。

a．H2SO4b．BaSO4c．Na2SO4d．NaOH

（2）电解池阳极发生了两个电极反应，电极反应式分别是

Ⅰ.___________________；Ⅱ._________________；

（3）电极反应Ⅰ和Ⅱ的生成物反应得到Fe（OH）3沉淀的离子方程式是__________________；

（4）该燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质，CH4为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料做电极。

①负极的电极反应是____________________；

②为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定，电池工作时必须有部分A物质参加循环（见上图）。

A物质的化学式是_________________；

（5）实验过程中，若在阴极产生了44.8L（标准状况）气体，则熔融盐燃料电池消耗CH4（标准状况）____L。

【答案】CFe－2e－=Fe2＋4OH--4e-=2H2O+O2 ↑4Fe2＋＋10H2O＋O2=4Fe（OH）3↓＋8H＋CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2OCO211.2L

【解析】

【分析】

（1）从所加入物质能增大溶液离子的浓度，并能保持污水的pH在5.0~6.0之间进行分析；

（2）根据阳极电极材料和离子的放电顺序分析放电的离子，书写电极反应；

（3）二价铁离子具有还原性，能被氧气氧化为三价；

（4）①燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应；

②根据两极上发生的反应确定循环使用的物质；

（5）在燃料电池和电解池的串联电路中，转移的电子数目是相同的。

【详解】

（1）为了增强溶液的导电性，可选用易溶的强电解质溶液，排除B项，考虑到污水的pH在5.0~6.0之间，因此不能使用氢氧化钠，硫酸能将Fe（OH）3溶解，因此应向污水中加入适量的硫酸钠；

（2）电解时，铁作阳极，失电子，发生反应Fe-2e-=Fe2+，同时溶液中的OH-失电子被氧化为O2，因此，电极反应为：

Ⅰ.Fe-2e-=Fe2+，Ⅱ.4OH--4e-=2H2O+O2 ↑；

（3）Fe2+具有还原性，能被氧气氧化为三价，那么得到Fe（OH）3沉淀的离子方程式为：

4Fe2＋＋10H2O＋O2=4Fe（OH）3↓＋8H＋；

（4）①燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，电极反应为：

CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O；

②由电极反应可知电池工作时参加循环的物质为CO2；

（5）阴极的电极反应为2H++2e-=H2↑，阴极产生了44.8L（即2mol）气体，转移的电子的物质的量为4mol，由CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O可知，当转移的电子的物质的量为4mol时，消耗CH4的体积为V=nVm=

×4mol×22.4L/mol=11.2L。

3．氯化亚砜又称亚硫酰氯，其分子式为SOCl2，常温常压下为淡黄色液体，遇水易水解。

国内的氯化亚砜主要应用于医药、农药、染料等行业。

实验室用干燥纯净的Cl2、SO2和SCl2制备SOCl2的部分装置如图所示：

已知：

①SOCl2沸点为78.8℃，SCl2的沸点为50℃，且两种液体可互溶。

②SOCl2遇水剧烈反应，液面上产生白雾，并有气体产生。

请回答：

（1）实验室制取SOCl2的反应方程式为____________

（2）写出丙中发生的离子反应_____________

（3）仪器e的名称是___________，实验仪器的连接顺序为a→_________（仪器可以重复使用）。

（4）仪器f的作用是____________

（5）实验结束后，将三颈烧瓶中混合物分离的实验操作名称是______。

（6）工业上常用ZnCl2·2H2O与SOCl2共热制取ZnCl2。

写出用惰性电极电解ZnCl2和盐酸的混合溶液的总反应离子反应式为_______。

甲同学认为SOCl2还可用作FeCl3·6H2O制取无水FeCl3的脱水剂，但乙同学对此提出质疑，可能的原因是____

【答案】SO2+Cl2+SCl2

2SOCl22MnO4-+10Cl-+16H+=2Mn2++5Cl2↑+8H2O球形冷凝管c→d→c→d→b吸收SO2、Cl2，防止外界水蒸气进入装置分馏（或蒸馏）2H++2Cl—

H2↑+Cl2↑SOCl2可能会与Fe3+发生氧化还原反应

【解析】

【分析】

由实验装置图可知，丙装置中浓盐酸与高锰酸钾反应制备氯气，因氯气中混有氯化氢和水蒸气，所以先将气体通过盛有饱和食盐水的乙装置除去氯化氢，再通过盛有浓硫酸的乙装置除去水蒸气，干燥的氯气、二氧化硫和SCl2在三颈烧瓶中，在活性炭作催化剂作用下，反应制得SOCl2，二氯化硫（SCl2）的沸点低，甲装置中球形冷凝管的作用是起冷凝回流SCl2的作用，干燥管中碱石灰的作用是防止有毒的氯气与二氧化硫逸出污染环境，同时防止空气中的水蒸气进入烧瓶中使氯化亚砜水解。

【详解】

（1）实验室用干燥的氯气、二氧化硫和SCl2在三颈烧瓶中，在活性炭作催化剂作用下，反应制得SOCl2，反应的化学方程式为SO2+Cl2+SCl2

2SOCl2，故答案为SO2+Cl2+SCl2

2SOCl2；

（2）装置丙中浓盐酸与高锰酸钾反应生产氯化锰、氯化钾、氯气和水，反应的离子方程式为2MnO4-+10Cl-+16H+=2Mn2++5Cl2↑+8H2O，故答案为2MnO4-+10Cl-+16H+=2Mn2++5Cl2↑+8H2O；

（3）仪器e的名称是球形冷凝管；因氯气中混有氯化氢和水蒸气，实验时应先除去氯化氢和水蒸气，制得干燥的氯气，实验仪器的连接顺序为丙（制氯气）—乙（除氯化氢）—乙（除水蒸气）—甲（制SOCl2），则仪器的接口连接顺序为a→c→d→c→d→b，故答案为球形冷凝管；c→d→c→d→b；

（4）仪器f中盛有碱石灰，碱石灰的作用是吸收逸出的有毒的Cl2和SO2污染环境，防止空气中的水蒸气进入反应装置而使SOCl2水解，故答案为吸收SO2、Cl2，防止外界水蒸气进入装置；

（5）已知氯化亚砜沸点为77℃，SCl2的沸点为50℃，实验结束后，采用分馏（或蒸馏）的方法即可将之分离，故答案为分馏（或蒸馏）；

（6）用惰性电极电解ZnCl2和盐酸的混合溶液时，阳极上氯离子放电能力强于氢氧根离子，阴极上氢离子放电能力强于锌离子，电解的总方程式为2H++2Cl—

H2↑+Cl2↑；FeCl3具有氧化性，SOCl2具有还原性，SOCl2用作FeCl3·6H2O制取无水FeCl3的脱水剂时，SOCl2可能会与FeCl3发生氧化还原反应使FeCl3变质，故答案为2H++2Cl—

H2↑+Cl2↑；SOCl2可能会与Fe3+发生氧化还原反应。

【点睛】

本题考查了性质实验方案的设计与评价，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学分析、理解能力及灵活应用基础知识的能力，注意掌握化学实验基本操作方法，明确常见物质的性质及化学实验方案设计原则是解答关键。

4．某小组设计不同实验方案比较Cu2+、Ag+的氧化性。

（1）方案1：

通过置换反应比较

向酸化的AgNO3溶液插入铜丝，析出黑色固体，溶液变蓝。

反应的离子方程式是_______，说明氧化性Ag+＞Cu2+。

（2）方案2：

通过Cu2+、Ag+分别与同一物质反应进行比较

实验

试剂

编号及现象

试管

滴管

1.0mol/L

KI溶液

1.0mol/LAgNO3溶液

Ⅰ．产生黄色沉淀，溶液无色

1.0mol/LCuSO4溶液

Ⅱ．产生白色沉淀A，溶液变黄

①经检验，Ⅰ中溶液不含I2，黄色沉淀是________。

②经检验，Ⅱ中溶液含I2。

推测Cu2+做氧化剂，白色沉淀A是CuI。

确认A的实验如下：

a．检验滤液无I2。

溶液呈蓝色说明溶液含有________（填离子符号）。

b．白色沉淀B是________。

c．白色沉淀A与AgNO3溶液反应的离子方程式是____，说明氧化性Ag+＞Cu2+。

（3）分析方案2中Ag+未能氧化I-，但Cu2+氧化了I-的原因，设计实验如下：

编号

实验1

实验2

实验3

实验

现象

无明显变化

a中溶液较快变棕黄色,b中电极

上析出银；电流计指针偏转

c中溶液较慢变浅黄色；

电流计指针偏转

（电极均为石墨，溶液浓度均为1mol/L，b、d中溶液pH≈4）

①a中溶液呈棕黄色的原因是_______（用电极反应式表示）。

②“实验3”不能说明Cu2+氧化了I-。

依据是空气中的氧气也有氧化作用，设计实验证实了该依据，实验方案及现象是_______。

③方案2中，Cu2+能氧化I-,而Ag+未能氧化I-的原因：

_______。

（资料：

Ag++I-=AgI↓K1=1.2×1016；2Ag++2I-=2Ag↓+I2K2=8.7×108）

【答案】Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+AgICu2+AgClCuI+2Ag+=Cu2++Ag+AgI

将d烧杯内的溶液换为pH≈4的1mol/L

溶液，c中溶液较慢变浅黄，电流计指针偏转K1＞K2，故

更易与

发生复分解反应，生成AgI2Cu2++4I-=2CuI+I2，生成了CuI沉淀，使得

的氧化性增强

【解析】

（1）向酸化的AgNO3溶液插入铜丝，析出黑色固体，溶液变蓝，说明铜置换出了金属银，反应的离子方程式为

，说明氧化性Ag+＞Cu2+，故答案为

；

（2）①经检验，Ⅰ中溶液不含I2，黄色沉淀是碘离子与银离子形成的碘化银沉淀，故答案为AgI；

②Ⅱ中溶液含I2，说明Cu2+做氧化剂，将碘离子氧化，本身被还原为Cu+，因此白色沉淀A是CuI。

a．检验滤液无I2。

溶液呈蓝色说明溶液含有Cu2+，故答案为Cu2+；

b．滤渣用浓硝酸溶解后，在上层清液中加入盐酸，生成的白色沉淀B为AgCl，故答案为AgCl；

c．白色沉淀A与AgNO3溶液反应生成了Cu2+和灰黑色沉淀，灰黑色沉淀用浓硝酸溶解后的溶液中含有银离子，黄色沉淀为AgI，说明灰黑色沉淀中含有金属银，反应的离子方程式为

，说明氧化性Ag+＞Cu2+，故答案为

；

（3）①碘化钾溶液与硝酸银溶液构成了原电池，a中溶液中的碘离子发生氧化反应生成碘单质，溶液呈棕黄色，电极反应式为

，故答案为

；

②“实验3”不能说明Cu2+氧化了I-。

依据是空气中的氧气也有氧化作用，只需设计没有铜离子的情况下，也能看到相似的现象即可，可以设计实验：

将d烧杯内的溶液换为pH≈4的1mol/L

溶液，c中溶液较慢变浅黄，电流计指针偏转，故答案为将d烧杯内的溶液换为pH≈4的1mol/L

溶液，c中溶液较慢变浅黄，电流计指针偏转；

③Ag++I-=AgI↓K1=1.2×1016；2Ag++2I-=2Ag↓+I2K2=8.7×108，K1＞K2，故

更易与

发生复分解反应，生成AgI。

2Cu2++4I-=2CuI+I2，生成了CuI沉淀，使得

的氧化性增强，因此方案2中，Cu2+能氧化I-，而Ag+未能氧化I-，故答案为K1＞K2，故

更易与

发生复分解反应，生成AgI。

2Cu2++4I-=2CuI+I2，生成了CuI沉淀，使得

的氧化性增强。

点睛：

本题考查了化学实验方案的设计与探究，本题的难度较大，理解实验的设计意图是解题的关键。

本题的难点为（3）③，要注意根据反应进行的趋势大小和化学平衡移动的原理分析解答。

5．钨是我国丰产元素，是熔点最高的金属，广泛用于拉制灯泡的灯丝，有“光明使者”的美誉。

钨在自然界主要以钨（+6价）酸盐的形式存在。

有开采价值的钨矿石是白钨矿和黑钨矿。

白钨矿的主要成分是钨酸钙（CaWO4）；黑钨矿的主要成分是铁和锰的钨酸盐，化学式常写成（FeWO4和MnWO4），钨酸（H2WO4）酸性很弱，难溶于水。

已知：

①CaWO4与碳酸钠共热发生复分解反应。

②钨在高温下可与焦炭（C）反应生成硬质合金碳化钨（WC）。

（1）74W在周期表的位置是第_______周期。

（2）写出黑钨矿中FeWO4与氢氧化钠，空气熔融时的化学反应方程式________________________________；白钨矿粉与碳酸钠共热的化学反应方程式_______________。

（3）工业上，可用一氧化碳、氢气或铝还原WO3冶炼W。

理论上，等物质的量的CO、H2、Al作还原剂，可得到W的质量之比为______。

用焦炭也能还原WO3，但用氢气更具有优点，其理由是_____________________________________。

（4）已知氢氧化钙和钨酸钙（CaWO4）都是微溶电解质，两者的溶解度均随温度升高而减小。

下图为不同温度下Ca（OH）2、CaWO4的沉淀溶解平衡曲线，则T1时Ksp（CaWO4）＝_________（mol/L）2。

将钨酸钠溶液加入石灰乳得到大量钨酸钙，发生反应的离子方程式为_____________________________，T2时该反应的平衡常数为__________。

（5）工业上，可用电解法从碳化钨废料中回收钨。

碳化钨作阳极，不锈钢作阴极，盐酸为电解质溶液，阳极析出滤渣D并放出CO2。

写出阳极的电极反应式_______________。

【答案】六4FeWO4+8NaOH+O2

2Fe2O3+4Na2WO4+4H2OCaWO4+Na2CO3

CaCO3+Na2WO42∶2∶3焦炭为固体，得到的金属钨会混有固体杂质，并且用焦炭还可能产生CO等有污染的尾气1×10-10WO42-+Ca（OH）2=CaWO4+2OH-1×103mol/LWC－10e-+6H2O=H2WO4+CO2+10H+

【解析】

（1）W为74号元素，第五周期最后一种元素为56号，第六周期最后一种元素为84号，因此74号在元素周期表的第六周期，故答案为：

六；

（2）FeWO4中的铁为+2价，与氢氧化钠在空气熔融时被空气中的氧气氧化，反应的化学反应方程式为4FeWO4+8NaOH+O2

2Fe2O3+4Na2WO4+4H2O；白钨矿粉与碳酸钠共热的化学反应方程式为CaWO4+Na2CO3

CaCO3+Na2WO4，故答案为：

4FeWO4+8NaOH+O2

2Fe2O3+4Na2WO4+4H2O；CaWO4+Na2CO3

CaCO3+Na2WO4；

（3）工业上，可用一氧化碳、氢气或铝还原WO3冶炼W。

理论上，1mol的CO、H2、Al作还原剂时，转移的电子分别为2mol，2mol，3mol，根据得失电子守恒，得到W的质量之比为2∶2∶3。

用焦炭也能还原WO3，但用氢气更具有优点，因为焦炭为固体，得到的金属钨会混有固体杂质，并且用焦炭还可能产生CO等有污染的尾气，故答案为：

2∶2∶3；焦炭为固体，得到的金属钨会混有固体杂质，并且用焦炭还可能产生CO等有污染的尾气；

（4）根据图像，T1时KSP（CaWO4）=c（Ca2+）•c（WO42-）=1×10-5×1×10-5=1×10-10，将钨酸钠溶液加入石灰乳，发生复分解反应，氢氧化钙和钨酸根离子反应生成钨酸钙沉淀，反应的离子方程式为：

WO42-+Ca（OH）2=CaWO4+2OH-，T2时，C（OH-）=10-2mol/L，c（WO42-）=10-7mol/L，平衡常数K等于生成物平衡浓度系数次方之积和反应物平衡浓度系数次方之积，即K=

=

=1×103，故答案为：

1×10-10；WO42-+Ca（OH）2=CaWO4+2OH-；1×103；

（5）电解时，阴极是氢离子放电生成氢气，电极反应式是2H++2e-=H2↑，阳极是碳化钨失去电子，发生氧化反应：

WC+6H2O-10e-=H2WO4+CO2↑+10H+，故答案为：

WC+6H2O-10e-=H2WO4+CO2↑+10H+。

6．

（1）天然气是一种重要的清洁能源和化工原料，其主要成分为甲烷。

①以甲烷、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极可构成燃料电池。

该电池的负极反应式为___________________________。

②将质量相等的铁棒和石墨棒分别插入CuCl2溶液中，铁棒接甲烷燃料电池负极，石墨棒接该电池正极，一段时间后测得铁棒比石墨棒增加了6.4克。

写出铁棒电极上发生的电极反应式________；则理论上消耗CH4的体积在标准状况下为_____。

（2）如图所示的实验装置中，丙为用碘化钾溶液润湿的滤纸，m、n为夹在滤纸两端的铂夹；丁为直流电源，x、y为电源的两极；G为电流计；A、B、C、D四个电极均为石墨电极。

若在两试管中充满H2SO4溶液后倒立于H2SO4溶液的水槽中，闭合K2，断开K1。

①丙电解时反应的离子方程式为______________。

②继续电解一段时间后，甲池中A、B极均部分被气体包围，此时断开K2，闭合K1，电流计G指针发生偏转，则B极的电极反应式为__________________，C极的电极反应为__________________。

【答案】CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2OCu2＋＋2e－===Cu0.56L2I-+2H2O

I2+H2↑+2OH-O2+4e-+4H+=2H2O4OH--4e－=O2↑+2H2O

【解析】

（1）①总反应为甲烷和氧气反应生成二氧化碳和水，二氧化碳和氢氧化钾反应生成碳酸钾，所以总方程式为：

CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。

正极是氧气得电子：

O2+2H2O+4e-=4OH-，总反应减去正极反应（将正极反应扩大2倍，以消去氧气），得到负极反应为：

CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O。

②将质量相等的铁棒和石墨棒分别插入CuCl2溶液中，铁棒接甲烷燃料电池负极，石墨棒接该电池正极，则铁棒为电解的阴极，反应为：

Cu2++2e-=Cu；石墨棒为电解的阳极，反应为：

2Cl--2e-=Cl2↑。

一段时间后测得铁棒比石墨棒增加了6.4克，这6.4g是生成的单质铜（0.1mol），则根据电极反应得到转移电子为0.2mol，1个甲烷生成碳酸根失去8个电子，所以参加反应的甲烷为0.025mol，即0.56L。

（2）①丙是碘化钾溶液，电解时阴阳两极分别是水电离的氢离子和碘化钾电离的碘离子反应，所以总方程式为2I-+2H2O

I2+H2↑+2OH-

②闭合K2，断开K1时，是用直流电源对甲乙丙进行串联电解。

A中得到氢气，B中得到氧气（因为A中气体的体积大约是B的2倍），所以A为电解的阴极，B为电解的阳极，进而得到直流电源x为正极，y为负极。

断开K2，闭合K1，电流计G指针发生偏转，说明形成原电池。

由题意只可能是甲中形成氢气氧气燃料电池，对乙丙进行电解。

所以B电极为原电池的正极，反应为氧气在酸性条件下得电子，方程式为O2+4e-+4H+=2H2O。

因为B为正极，所以C为电解的阳极，注意此时c电极表面应该有刚才断开K2，闭合K1时，进行电解得到的单质银。

所以此时c电极的反应为Ag－e-=Ag+。

7．请从图中选用必要的装置进行电解饱和食盐水（含酚酞）的实验，要求测定产生的氢气的体积（大于25mL），并检验氯气的氧化性。

（1）A极发生的电极反应式是__________；B极发生的电极反应式是__