化学培优化学能与电能辅导专题训练附答案.docx

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化学培优化学能与电能辅导专题训练附答案

【化学】培优化学能与电能辅导专题训练附答案

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．

（1）利用原电池装置可以验证Fe3+与Cu2+氧化性相对强弱，如下图所示。

该方案的实验原理是自发进行的氧化还原反应可以设计为原电池。

写出该氧化还原反应的离子方程式：

__________。

该装置中的负极材料是______（填化学式），正极反应式是_______。

（2）某研究性学习小组为证明2Fe3++2I－⇌2Fe2++I2为可逆反应，设计如下两种方案。

方案一：

取5mL0.1mol/LKI溶液，滴加2mL0.1mol/L的FeCl3溶液，再继续加入2mLCCl4，充分振荡、静置、分层，再取上层清液，滴加KSCN溶液。

①方案一中能证明该反应为可逆反应的现象是______。

②有同学认为方案一设计不够严密，即使该反应为不可逆反应也可能出现上述现象，其原因是（用离子方程式表示）_____。

方案二：

设计如下图原电池装置，接通灵敏电流计，指针向右偏转（注：

灵敏电流计指针总是偏向电源正极），随着时间进行电流计读数逐渐变小，最后读数变为零。

当指针读数变零后，在右管中加入1mol/LFeCl2溶液。

③方案二中，“读数变为零”是因为____________.

④“在右管中加入1mol/LFeCl2溶液”后，观察到灵敏电流计的指针______偏转（填“向左”、“向右”或“不”），可证明该反应为可逆反应。

【答案】Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+CuFe3++e－=Fe2+下层（CCl4层）溶液呈紫红色，且上层清液中滴加KSCN后溶液呈血红色4Fe2++O2+4H+=2H2O+4Fe3+该可逆反应达到了化学平衡状态向左

【解析】

【分析】

（1）验证Fe3+与Cu2+氧化性强弱时，应将反应Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+设计成原电池，原电池中铜作负极发生氧化反应被损耗，选用金属性弱于铜的金属或非金属C作正极，电解质溶液为可溶性的铁盐；

（2）方案一：

如该反应为可逆反应，加入四氯化碳，四氯化碳层呈紫红色，上层清液中滴加KSCN后溶液呈血红色；但在振荡过程中，Fe2+离子易被空气中氧气生成Fe3+，不能证明Fe3+未完全反应；

方案二：

图中灵敏电流计的指针指向右，右侧烧杯为正极，当指针读数变零后，在右管中加入1mol/LFeCl2溶液，如为可逆反应，可发生2Fe2++I2⇌2Fe3++2I-，I2被还原，指针应偏向左。

【详解】

（1）Fe3+氧化性比Cu2+强，可发生2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+反应，反应中Cu被氧化，Cu电极为原电池的负极，负极反应式为Cu-2e-=Cu2+，选用金属性弱于铜的金属或石墨作正极，正极上Fe3+发生还原反应，电极反应式为Fe3++e-=Fe2+，故答案为Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+；Cu；Fe3++e－=Fe2+；

（2）①若该反应为可逆反应，反应中有碘单质生成，但不足量的Fe3+不能完全反应，溶液中依然存在Fe3+，则证明有碘单质和Fe3+存在的实验设计为：

向反应后的溶液再继续加入2mLCCl4，充分振荡、静置、分层，下层（CCl4层）溶液呈紫红色，再取上层清液，滴加KSCN溶液，溶液呈血红色，故答案为下层（CCl4层）溶液呈紫红色，且上层清液中滴加KSCN后溶液呈血红色；

②在振荡过程中，Fe2+离子易被空气中氧气生成Fe3+，不能证明反应可逆，反应的化学方程式为4Fe2++O2+4H+=2H2O+4Fe3+，故答案为4Fe2++O2+4H+=2H2O+4Fe3+；

③若该反应为可逆反应，“读数变为零”说明该可逆反应达到了化学平衡状态，故答案为该可逆反应达到了化学平衡状态；

④当指针读数变零后，在右管中加入1mol/LFeCl2溶液，如为可逆反应，可发生2Fe2++I2⇌2Fe3++2I-，I2被还原，灵敏电流计指针总是偏向电源正极，指针应偏向左，故答案为向左。

【点睛】

本题考查化学反应原理的探究，侧重于分析问题和实验能力的考查，注意把握发生的电极反应、原电池工作原理，注意可逆反应的特征以及离子检验的方法为解答的关键。

3．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】

（1）根据实验现象可知，实验1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，说明在原电池中铝作负极，发生氧化反应，铜做正极，硝酸根离子被还原成一氧化氮，在空气中被氧化成二氧化氮；

（2）实验2中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，说明开始铝是负极，同实验1，铜表面有二氧化氮产生，很快铝被浓硝酸钝化，铜做负极，发生氧化反应，生成硝酸铜，溶液呈绿色，硝酸根离子在铝电极被还原成二氧化氮，据此答题；（3）溶液X为1mol•L-1稀硝酸溶液，反应后的溶液中含NH4+，说明硝酸根离子被还原成了铵根离子，原电池中铝做负极，铜做正极，硝酸根离子在正极还原成铵根离子；（4）Al与NaOH溶液反应产生H2的过程中可将NO3-还原为NH3，根据电荷守恒和元素守恒可写出离子方程式，而镁与碱没有反应；

（5）铝粉在中性溶液中不产生氢气，也就不与硝酸钠反应，据此分析。

【详解】

（1）根据实验现象可知，实验1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，说明在原电池中铝作负极，发生氧化反应，铜做正极，硝酸根离子被还原成一氧化氮，在空气中被氧化成二氧化氮，反应方程式为2NO+O2=2NO2；

（2）实验2中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，说明开始铝是负极，同实验1，铜表面有二氧化氮产生，很快铝被浓硝酸钝化，铜做负极，发生氧化反应，生成硝酸铜，溶液呈绿色，硝酸根离子在铝电极被还原成二氧化氮；（3）溶液X为1mol•L-1稀硝酸溶液，反应后的溶液中含NH4+，说明硝酸根离子被还原成了铵根离子，原电池中铝做负极，铜做正极，硝酸根离子在正极还原成铵根离子，①实验室检验NH4+的方法是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+；②生成NH4+的电极反应式是NO3-+8e-+10 H+=NH4++3H2O；（4）①Al与NaOH溶液反应产生H2的过程中可将NO3-还原为NH3；根据电荷守恒和元素守恒可写出离子方程式，而镁与碱没有反应；②碱性条件下铝将硝酸根还原生成氨气，反应的离子方程式为8Al+3NO3-+5OH-+2H2O=3NH3↑+8AlO2-；（5）铝与中性的硝酸钠溶液无生成H2的过程，也就不与硝酸钠反应，所以无明显现象。

【点睛】

原电池中失电子发生氧化反应的一极一定是负极，得电子发生还原反应的一极一定是正极；电子流出的一极一定是负极、电子流入的一极一定是正极。

4．广泛用于纺织工业的连二亚硫酸钠（Na2S2O4），俗称保险粉，是一种强还原剂，可溶于水，但不溶于乙醇，在碱性介质中稳定。

Ⅰ.工业上制备连二亚硫酸钠的流程如下：

请回答下列问题：

（1）步骤①中的化学方程式为___________________________________；

（2）步骤②中沉淀为_________________________________（填化学式）；

（3）步骤③中加入NaCl固体的作用是______________________________，分离出保险粉方法为_______、洗涤、干燥，洗涤所用试剂是___________________________。

Ⅱ.工业上也可用右图装置电解NaHSO3溶液制Na2S2O4。

（1）惰性电极a连接电源的_________（填“正极”或“负极”），其电极反应式为________________；

（2）若不加隔膜，则得不到连二亚硫酸钠，其原因是____________________________。

Ⅲ.探究Na2S2O4的性质：

某课题小组常温下测定0.050mol•L-1Na2S2O4溶液在空气中的pH变化如下图所示；

（1）0-t1段主要生成HSO3-，根据pH变化图，写出0-t1发生反应的离子方程式为______________；

（2）若t1时溶液中Na2S2O4全部被氧化成NaHSO3，此时溶液中c（SO32-）-c（H2SO3）=__________mol•L-1（填具体数值，不考虑溶液体积变化）

【答案】Zn+2SO2=ZnS2O4Zn（OH）2降低Na2S2O4的溶解度，使更多Na2S2O4析出过滤乙醇负极2HSO3-+2e-=S2O42-+2OH-Na2S2O4被阳极生成的氧气氧化或HSO3-在阳极失电子得到硫酸根2H2O+2S2O42-+O2=4HSO3-10-5-10-9

【解析】Ⅰ.锌粉加水形成分散系，再通入二氧化硫反应得到ZnS2O4，加入18%dNaOH溶液反应得到氢氧化锌沉淀、Na2S2O4，最后加入NaCl降低Na2S2O4的溶解度，析出Na2S2O4，溶液D中含有NaCl。

（1）根据上述分析，步骤①中的化学方程式为Zn+2SO2=ZnS2O4，故答案为：

Zn+2SO2=ZnS2O4；

（2）步骤②中沉淀为Zn（OH）2，故答案为：

Zn（OH）2；

（3）步骤③中加入NaCl固体可以降低Na2S2O4的溶解度，使更多Na2S2O4析出，然后过滤、洗涤、干燥即可分离出保险粉；连二亚硫酸钠（Na2S2O4）是一种强还原剂，可溶于水，但不溶于乙醇。

为了减少Na2S2O4的溶解损失，洗涤液可以选用乙醇，故答案为：

降低Na2S2O4的溶解度，使更多Na2S2O4析出；过滤；乙醇；

Ⅱ.a极上NaHSO3生成Na2S2O4，S元素化合价由+4价降低到+3价，发生还原反应，应为阴极，a连接电源的负极，b极上氢氧化钠溶液中的水被氧化生成氧气，为阳极，b连接电源的正极。

（1）根据上述分析，惰性电极a连接电源的负极”），其电极反应式为2HSO3-+2e-=S2O42-+2OH-，故答案为：

负极；2HSO3-+2e-=S2O42-+2OH-；

（2）若不加隔膜，Na2S2O4被阳极生成的氧气氧化得到硫酸根，得不到连二亚硫酸钠，故答案为：

Na2S2O4被阳极生成的氧气氧化得到硫酸根；

Ⅲ.

（1）Na2S2O4溶液在空气中易被氧化生成亚硫酸氢钠，则0～t1段发生离子反应方程式为2S2O42-+O2+2H2O=4HSO3-，故答案为：

2S2O42-+O2+2H2O=4HSO3-；

（2）若t1时溶液中Na2S2O4全部被氧化成NaHSO3，浓度为0.1mol/L，根据图像，此时溶液的pH=5，溶液中存在物料守恒，c（SO32-）+c（H2SO3）+c（HSO3-）=0.1mol/L，也存在电荷守恒，c（Na+）+c（H+）=2c（SO32-）+c（HSO3-）+c（OH-），则c（SO32-）-c（H2SO3）=c（Na+）+c（H+）-c（OH-）-0.1mol/L=c（H+）-c（OH-）=（10-5-10-9）mol/L，故答案为：

10-5-10-9。

5．MnSO4在工业中有重要应用，用软锰矿浆（主要成分为MnO2和水，含有Fe2O3、FeO、Al2O3和少量PbO等杂质）浸出制备MnSO4，其过程如下：

（资料）部分阳离子形成氢氧化物沉淀的pH

离子

Fe2+

Fe3+

Al3+

Mn2+

Pb2+

开始沉淀时的pH

7.6

2.7

3.8

8.3

8.0

完全沉淀时的pH

9.7

3.7

4.7

9.8

8.8

（1）向软锰矿浆中通入SO2生成MnSO4，该反应的化学方程是___________。

（2）加入MnO2的主要目的是___________；

（3）在氧化后的液体中加入石灰浆，用于调节pH，pH应调至____范围，生成的沉淀主要含有____和少量CaSO4。

（4）阳离子吸附剂可用于主要除去的离子是______________。

（5）用惰性电极电解MnSO4溶液，可以制得高活性MnO2。

电解MnSO4、ZnSO4和H2SO4的混合溶液可制备MnO2和Zn，写出阳极的电极反应方程式________________。

【答案】SO2+MnO2=MnSO4将Fe2+氧化为Fe3+4.7≤pH<8.3Fe（OH）3、Al（OH）3Ca2+、Pb2+Mn2+−2e−+2H2O=MnO2↓+4H+

【解析】

软锰矿浆（主要成分为MnO2和水，含有Fe2O3、FeO、Al2O3和少量PbO等杂质）通入SO2得到浸出液，MnO2与SO2发生氧化还原反应，其中的金属离子主要是Mn2+，浸出液还含有少量的Fe2+、Al3+等其他金属离子，Fe2+具有还原性，可以被MnO2在酸性条件下氧化成Fe3+，在氧化后的液体中加入石灰浆，杂质中含有Fe2+、Al3+、Ca2+、Pb2+四种阳离子，由沉淀的pH范围知，Fe3+、Al3+阳离子通过调pH值，转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，加入阳离子吸附剂，除去Ca2+、Pb2+，过滤，滤液蒸发浓缩，冷却结晶，获得MnSO4晶体。

（1）I中向软锰矿浆中通入SO2生成MnSO4，MnO2与SO2发生氧化还原反应的化学方程式为SO2+MnO2=MnSO4；故答案为SO2+MnO2=MnSO4；

（2）杂质离子中Fe2+具有还原性，可以被MnO2在酸性条件下氧化成Fe3+，故答案为将Fe2+氧化为Fe3+；

（3）杂质中含有Fe3+、Al3+阳离子，从图可表以看出，大于4.7可以将Fe3+和Al3+除去，小于8.3是防止Mn2+也沉淀，所以只要调节pH值在4.7～8.3间即可，Fe3+、Al3+转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，故生成的沉淀主要为Fe（OH）3、Al（OH）3和少量CaSO4；故答案为4.7≤pH＜8.3；Fe（OH）3、Al（OH）3；

（4）从吸附率的图可以看出，Ca2+、Pb2+的吸附率较高，故答案为Pb2+、Ca2+；

（5）电解MnSO4、ZnSO4和H2SO4的混合溶液可制备MnO2和Zn，阳极上是发生氧化反应，元素化合价升高为MnSO4失电子生成MnO2，ZnSO4反应得到电子生成Zn，阳极电极反应为：

Mn2+-2e-+2H2O=MnO2↓+4H+，故答案为Mn2+-2e-+2H2O=MnO2↓+4H+。

6．某化学课外活动小组的同学利用原电池原理探究一定温度下（实验时实际的环境温度）使铁钝化的硝酸的最低浓度。

实验步骤如下：

①向两支具支试管中分别加入浓硝酸5。

0mL（质量分数为65%，

密度为1。

4g/mL）。

按图组装好实验装置。

②将铜丝和铁丝同时插入浓硝酸中，观察到灵敏电流计指针先指向铜丝，但又迅速反转（只需1—2s）指向铁丝一端。

③用盛有5。

0mL蒸馏水的注射器向具支试管内加水，并注视电流计的指针偏转方向。

在指针恰好发生反转又指向铜丝时停止

实验，记录此时已注入的水的体积。

重复三次实验获得的数据如下：

实验次数

实验温度（℃）

注入水的体积（mL）

1

17。

2

2。

4

2

T1

2。

5

3

T2

2。

3

请回答下列问题：

（1）在该装置中仪器a因其作用而称为____；指针指向铁丝时，铁丝为___极（填“正”或“负”）

（2）65%的硝酸的物质的量浓度是_________；在未注水前正极的电极反应式为________。

（3）T1_______T2（填“>”、“<”或“=”）

（4）在本实验温度下，使铁钝化的硝酸最低浓度为_____%；利用本实验数据判断，若以45%的硝酸进行实验（不再注水），则电流表的指针应指向_____电极（填“铁”或“铜”）

（5）该实验装置上的不足是_________，改进方法是________________________。

【答案】盐桥正14。

4mol/LNO3－＋e－＋2H＋=NO2↑＋H2O=48铜缺少尾气处理装置应在两侧支管口处均连接导管，将产生气体导入盛有氢氧化钠溶液的烧杯中

【解析】

【详解】

（1）在该装置中仪器a因其作用而称为盐桥；铁在浓硝酸中发生钝化，所以铜是正极，所以铁是正极； 

（2）根据

；正极是硝酸根离子发生还原反应，电极反应式为:

↑

； 

（3）温度相同条件下加入水探究一定温度下（实验时实际的环境温度）使铁钝化的硝酸的最低浓度，改变加入水的量体坛就钝化浓度，所以温度不变，故

； 

（4）重复三次实验平均加水量

，使铁钝化的硝酸最低浓度

，利用本实验数据判断，若以

的硝酸进行实验（不再注水），铁不发生钝化，铁做负极，则电流表的指针应指向电极铜电极；

（5）反应过程中所生产的了氮的氧化物是有毒气体会污染空气，该实验装置的不足之处是没有尾气处理装置，应在两侧支管口处均连接导管，将产生的气体导入盛有氢氧化钠溶液的烧杯中吸收尾气，避免排放到空气中污染环境。

7．如图所示,A为电源,B为浸透饱和食盐水和酚酞溶液的滤纸,滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液,C、D为电解槽,其电极材料及电解质溶液如图所示。

（1）关闭K1,打开K2,通电后,B的KMnO4紫红色液滴向c端移动,则电源b端为极，通电一段时间后,滤纸d端的电极反应式是。

（2）已知C装置中溶液的溶质为Cu（NO3）2和X（NO3）3,且均为0.1mol,打开K1,关闭K2,通电一段时间后,阴极析出固体质量m（g）与通过电子的物质的量n（mol）关系如图所示,则Cu2+、X3+、H+氧化能力由大到小的顺序是。

（3）D装置中溶液是H2SO4溶液,则电极C端从开始至一段时间后的实验现象是。

【答案】

（1）负极，2H++2e-=H2

（2）Cu2+>H+>X3+

（3）产生无色气体，溶液变为蓝色，一段时间后有红色物