高考化学压轴题专题化学能与电能的经典综合题附详细答案.docx
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高考化学压轴题专题化学能与电能的经典综合题附详细答案
高考化学压轴题专题化学能与电能的经典综合题附详细答案
一、化学能与电能
1．某实验小组对FeCl3分别与Na2SO3、NaHSO3的反应进行探究。
（甲同学的实验）
装置
编号
试剂X
实验现象
I
Na2SO3溶液（pH≈9）
闭合开关后灵敏电流计指针发生偏转
II
NaHSO3溶液（pH≈5）
闭合开关后灵敏电流计指针未发生偏转
（1）怎样配制FeCl3溶液？
________________________________________________________。
（2）甲同学探究实验I的电极产物。
①取少量Na2SO3溶液电极附近的混合液，加入_________________________________，产生白色沉淀，证明产生了SO42-。
②该同学又设计实验探究另一电极的产物，其实验方案为_______________________________。
（3）实验I中负极的电极反应式为______________________________________________________。
乙同学进一步探究FeCl3溶液与NaHSO3溶液能否发生反应，设计、完成实验并记录如下：
装置
编号
反应时间
实验现象
III
0~1min
产生红色沉淀，有刺激性气味气体逸出
1~30min
沉淀迅速溶解形成红色溶液，随后溶液逐渐变为橙色，之后几乎无色
30min后
与空气接触部分的上层溶液又变为浅红色，随后逐渐变为浅橙色
（4）乙同学认为刺激性气味气体的产生原因有两种可能，用离子方程式表示②的可能原因。
①Fe3+＋3HSO3-
Fe（OH）3＋3SO2；②_____________________________________________。
（5）查阅资料：
溶液中Fe3+、SO32-、OH－三种微粒会形成红色配合物并存在如下转化：
从反应速率和化学平衡两个角度解释1~30min的实验现象：
______________________________。
（实验反思）
（6）分别对比I和II、II和III，FeCl3能否与Na2SO3或NaHSO3发生氧化还原反应和______________________有关（写出两条）。
【答案】将FeCl3溶于浓盐酸，再稀释至指定浓度足量盐酸和BaCl2溶液取少量FeCl3溶液电极附近的混合液，加入铁氰化钾溶液，产生蓝色沉淀，证明产生了Fe2+3SO32--2e-+H2O=SO42-+2HSO3-H++HSO3-=H2O+SO2↑生成红色配合物的反应速率快，红色配合物生成橙色配合物的速率较慢；在O2的作用下，橙色的HOFeOSO2浓度下降，平衡
不断正向移动，最终溶液几乎无色溶液pH不同、Na2SO3、NaHSO3溶液中SO32-浓度不同（或Na2SO3与NaHSO3不同，或Na2SO3与NaHSO3的阴离子不同）、反应物是否接触形成红色配合物（任写两条）
【解析】
【分析】
甲同学实验：
利用铁离子能够将SO32-氧化设计原电池，则原电池中氯化铁溶液为正极得电子发生还原反应，试剂X为负极，失电子发生氧化反应；实验中X为Na2SO3溶液时电流计指针发生偏转，说明铁离子将SO32-氧化；实验中X为NaHSO3溶液时电流计指针未发生偏转，说明二者可能不反应；
乙同学进一步探究FeCl3溶液与NaHSO3溶液能否发生反应：
0~1min产生红色沉淀，有刺激性气味气体逸出，红色沉淀应为Fe（OH）3，气体应为二氧化硫，说明二者发生双水解；1~30min沉淀迅速溶解形成红色溶液，随后溶液逐渐变为橙色，之后几乎无色，结合查阅的资料可知生成了HOFeOSO2，该物质存在平衡HOFeOSO2⇌HOFeOSO2，在氧气的作用下不断正向进行，最终溶液几乎无色；30min后反应现象是空气接触部分的上层溶液又变为浅红色，随后逐渐变为浅橙色，反应后的亚铁离子被空气中氧气氧化为铁离子，过量的HSO3-电离提供SO32-，溶液中Fe3+、SO32-、OH-三种微粒会继续反应形成红色配合物。
【详解】
（1）实验室配制FeCl3溶液时，为了防止铁离子水解，先将FeCl3固体溶解在较浓的盐酸中然后加水稀释；
（2）①若有硫酸根生成，则加入盐酸酸化的氯化钡溶液会有白色沉淀生成；
②氯化铁溶液为原电池正极，发生还原反应，Fe3+被还原成Fe2+，铁氰化钾溶液可以与亚铁离子反应生成蓝色沉淀，所以方案为取少量FeCl3溶液电极附近的混合液，加入铁氰化钾溶液，产生蓝色沉淀，证明产生了Fe2+；
（3）实验I中试剂X为原电池负极，SO32-被氧化生成硫酸根，电极方程式为3SO32—2e-+H2O=SO42-+2HSO3-；
（4）pH=1的氯化铁溶液中有大量的氢离子，亚硫酸氢根离子结合氢离子生成二氧化硫气体，反应的离子方程式：
H++HSO3-=H2O+SO2↑；
（5）FeCl3溶液与NaHSO3溶液混合反应，在1～30min出现现象为：
沉淀迅速溶解形成红色溶液，随后溶液逐渐变为橙色，之后几乎无色，根据资料：
溶液中Fe3+、SO32-、OH-三种微粒会形成红色配合物并存在转化：
HOFeOSO2⇌HOFeOSO2
Fe2++SO42-，可知原因是：
生成红色配合物的反应速率快，红色配合物生成橙色配合物的速率较慢；在氧气的作用下橙色的HOFeOSO2浓度下降平衡HOFeOSO2⇌HOFeOSO2，不断正向进行，最终溶液几乎无色。
（6）分别对比Ⅰ和Ⅱ、Ⅱ和Ⅲ，FeCl3能否与Na2SO3或NaHSO3发生氧化还原反应和溶液pH不同、Na2SO3、NaHSO3溶液中SO32-浓度不同（或Na2SO3与NaHSO3不同，或Na2SO3与NaHSO3的阴离子不同）、反应物是否接触形成红色配合物有关。
【点睛】
第3题写电极反应方程式时要注意pH=9的溶液是由于SO32-水解，OH-来自于水的电离，电极方程式不能写成SO32--2e-+2OH-===SO42-+H2O。
2．亚硝酰氯NOCl可用于合成清洁剂等。
它可用Cl2与NO在常温常压下合成：
它的熔点为-64.5℃，沸点为-5.5℃，常温下是黄色的有毒气体，遇水易水解。
请按要求回答下列相关问题：
（1）过量铁屑和稀硝酸充分反应制备NO的离子方程式为：
______________________。
（2）制备NOCl的装置如下图所示，连接顺序为:
a→_________________________（按气流自左向右方向，用小写字母表示）。
①装置A和B作用是①干燥NO和Cl2，②___________________________________________。
②装置D的作用是______________________________________。
③装置E中NOCl发生反应的化
学方程式为________________。
（3）工业生产过程中NO尾气处理方法有多种，其中间接电化学法，其原理如图所示：
该过程中阴极的电极反应式为：
__________________________________________。
【答案】3Fe+8H++2NO3—=3Fe2++2NO↑+4H2Oe→f→c→b→d或f→e→c→b→d观察气泡调节气体流速防止E中水蒸气进入F，引起NOCl的水解NOCl+2NaOH=NaCl+NaNO2+H2O2HSO3—+2e—+2H+=S2O42—+2H2O
【解析】
【分析】
（1）过量铁屑和稀硝酸反应生成硝酸亚铁、一氧化氮和水；
（2）将氯气和NO干燥后在装置F中发生反应，在冰盐中冷凝收集NOCl，氯气、NO以及NOCl均不能排放到空气中，用氢氧化钠溶液吸收，注意NOCl遇水易水解。
（3）由间接电化学法示意图可知，阴极上HSO3—放电生成S2O42—，S2O42—在吸收塔中将NO还原为N2。
【详解】
（1）过量铁屑和稀硝酸反应生成硝酸亚铁、一氧化氮和水，反应的离子方程式为3Fe+8H++2NO3—=3Fe2++2NO↑+4H2O，故答案为3Fe+8H++2NO3—=3Fe2++2NO↑+4H2O；
（2）将氯气和NO干燥后在装置F中发生反应，在冰盐中冷凝收集NOCl，氯气、NO以及NOCl均不能排放到空气中，用氢氧化钠溶液吸收，NOCl遇水易水解，故在收集装置和尾气处理装置之间需加一个干燥装置，故答案为e→f（或f→e）→c→b→d；
①装置A和B作用是除干燥NO、Cl2外，另一个作用是通过观察气泡调节气体的流速控制反应的发生，故答案为观察气泡调节气体流速；
②NOCl遇水易水解，装置D中氯化钙做干燥剂，吸收水蒸气，防止E中水蒸气进入反应器F中，引起NOCl的水解，故答案为防止E中水蒸气进入F，引起NOCl的水解；
③装置E的目的吸收尾气，防止污染环境，NOCl与氢氧化钠溶液反应生成NaCl、NaNO2和H2O，反应的化学方程式为NOCl+2NaOH=NaCl+NaNO2+H2O，故答案为NOCl+2NaOH=NaCl+NaNO2+H2O；
（3）由间接电化学法示意图可知，阴极上HSO3—放电生成S2O42—，S2O42—在吸收塔中将NO还原为N2，阴极的电极反应式为2HSO3—+2e—+2H+=S2O42—+2H2O，故答案为2HSO3—+2e—+2H+=S2O42—+2H2O。
【点睛】
本题考查化学实验方案的设计与评价，侧重考查分析问题和解决问题的能力，注意化学方程式的书写和排列实验先后顺序的方法，掌握电极反应式的书写方法是解答关键，
3．
（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+。
4．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+。
5．燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。
下图为氢氧燃料电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定，请回答：
（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是，在导线中电子流动方向为（用a、b表示）。
（2）负极反应式为，正极反应式为；
（3）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。
因此，大量安全储氢是关键技术之一。
金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：
Ⅰ．2Li＋H2
2LiHⅡ．LiH＋H2O
LiOH＋H2↑
反应Ⅰ中的还原剂是，反应Ⅱ中的氧化剂是；
（4）如果该电池是甲烷-氧气燃料电池，负极反应式为；
（5）如果该电池是肼（N2H4）-氧气燃料电池，负极反应式为。
【答案】
（1）由化学能转变为电能由a到b
（2）2H2－4e－＋4OH－＝4H2O，O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
（3）LiH2O
（4）CH4－8e－＋10OH－＝CO32－＋7H2O
（5）N2H4－4e－＋4OH－＝N2↑＋4H2O
【解析】
试题分析：
（1）氢氧燃料电池属于原电池，所以是将化学能转化为电能的装置，该电池中，通入氢气的电极为负极、通入氧气的电极为正极，负极上失电子发生氧化反应、正极上得电子发生还原反应，所以电子从a电极流向b电极；
（2）负极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水，电极反应为2H2－4e－＋4OH－＝4H2O；正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电极反应为O2＋2H2O＋4e－＝4OH－；
（3）①2Li+H2
2LiH，该反应中锂失电子发生氧化反应，所以锂是还原剂；LiH+H2O=LiOH+H2↑，该反应中H2O得电子生成氢气，发生还原反应，所以H2O是氧化剂；
（4）甲烷-氧气燃料电池，通入甲烷的电极为负极，负极反应式CH4－8e－＋10OH－＝CO32－＋7H2O；
（5）肼（N2H4）-氧气燃料电池，通入肼（N2H4）的电极为负极，负极反应式N2H4－4e－＋4OH－＝N2↑＋4H2O
考点：
考查了原电池工作原理
【名师点晴】写电极反应式要注意结合电解质溶液书写，如果电解质溶液不同，虽然原料相同，电极反应式也不同，如氢氧燃料电池，当电解质为酸溶液里，正极电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O；当电解质为碱溶液时，负极电极反应式H2-2e-+2OH-=2H2O，正极电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-；当电解质为熔融状态时，正极电极反应为为O2+4e-=2O2-；可见搞清楚电解质环境对电极反应式书写影响很大。
6．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下。
编号
电极材料
电解质溶液
电流表指针偏转方向
1
Al、Mg
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、C（石墨）
稀盐酸
偏向石墨
4
Al、Mg
氢氧化钠溶液
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
试根据上表中的实验现象回答下列问题：
（1）实验1、2中Al所作的电极（正极或负极）是否相同（填“是”或“否”）？
____________。
（2）对实验3完成下列填空：
①铝为________极，电极反应式：
__________________________________________；
②石墨为________极，电极反应式：
_________________________________________；
③电池总反应式：
______________________________________________________。
（3）实验4中铝作负极还是正极________，理由是_________________________________。
（4）解释实验5中电流表指针偏向铝的原因：
____________________________________。
写出铝电极的电极反应式：
_________________________________________________。
（5）根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素：
__________________。
【答案】
（1）否；
（2）①负，2Al－6e－=2Al3＋；②正，6H＋＋6e－=3H2↑；③2Al＋6HCl=2AlCl3＋3H2↑；
（3）负极，在NaOH溶液中，活动性Al＞Mg；
（4）Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中发生反应，被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Al是原电池的正极.，NO3－＋e－＋2H＋＝NO2↑＋H2O；（5）①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液。
【解析】
试题分析：
（1）原电池中一般活泼金属作负极，能和电解质溶液反应，电流表指针指向正极，实验1，电流表指针偏向Al，说明Mg作负极，铝作正极，实验2，Al比铜活泼，且铜不与稀盐酸反应，则Al作负极，故填写“否”；
（2）实验3，电流表指针偏向石墨，说明铝作负极，石墨作正极，铝和盐酸的反应：
2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑，负极上的反应式为：
2Al－6e－=2Al3＋，正极反应式为：
6H＋＋6e－=3H2↑；
（3）虽然Mg比铝活泼，但Mg不与NaOH反应，但铝和氢氧化钠溶液反应，因此铝作负极，其反应离子方程式为：
2Al＋2OH－＋2H2O=2AlO2－＋3H2↑；
（4）虽然铝比锌活泼，但铝和浓硫酸、浓硝酸发生钝化反应，产生一层致密氧化薄膜阻碍反应的进行，锌和硝酸反应的离子方程式为：
Zn＋4H＋＋2NO3－=Zn2＋＋2NO2↑＋2H2O，负极反应式为Zn－2e－=Zn2＋，正极反应式为：
NO3－＋2H＋＋e－=NO2↑＋H2O；（5）根据以上分析，影响因素是：
①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液。
考点：
考查原电池正负极的判断、电极反应式的书写等知识。
7．
（一）下图是实验室用氢气还原氧化铜实验的简易装置。
其中的铜质燃烧匙可以在试管M中上下移动，实验时,先将细铜丝一端被弯成螺旋状，先在空气中加热变黑后再迅速伸入球型干燥管中。
（1）铜质燃烧匙的作用有，。
（2）实验过程中，在试管M中可观察到的现象是，。
（二）原电池与电解池在化学工业中有广泛应用。
如图装置，a为CuCl2溶液，X为Fe棒，Y为碳棒，回答以下问题：
（1）若断开k1，闭合k2，则装置为_____；X电极上的电极反应式为_____________；电解质溶液中的阳离子向______极移动（填X或Y）；
（2）若线路中通过3.01×1022的电子，则Y极上析出物质的质量为。
【答案】
（一）
（1）控制反应的发生和停止与锌构成原电池加快反应速率
（2）铜匙和锌粒表面都有气泡产生锌粒逐渐变小或消失
（二）
（1）原电池Fe－2e－＝Fe2+Y
（2）1.6g
【解析】
试题分析：
（一）
（1）铜质燃烧匙可以上下移动，因此作用之一是的作用有控制反应的发生和停止；其次铜与锌构成原电池加快反应速率。
（2）锌能与盐酸反应生成氢气，其次铜锌构成原电池，铜是正极，其在表明氢离子放电，所以实验过程中，在试管M中可观察到的现象是铜匙和锌粒表面都有气泡产生、锌粒逐渐变小或消失。
（二）
（1）若断开k1，闭合k2，则装置为原电池，铁是活泼的金属，铁是负极，则X电极上的电极反应式为Fe－2
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