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