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高考化学综合题专练化学能与电能及答案
2020-2021高考化学综合题专练∶化学能与电能及答案
一、化学能与电能
1.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。
2.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+。
3.保险粉又称连二亚硫酸钠(Na2S2O4),可用于纺织工业的漂白剂、脱色剂,脱氯剂。
Na2S2O4是白色粉末,无味,易溶于水、难溶于乙醇,具有极强的还原性,在空气中易被氧化,在碱性介质中稳定。
Ⅰ.甲酸钠( HCOONa) 法制备过程如下:
(1)连二亚硫酸钠中硫元素的化合价为______________。
(2)实验室用Na2SO3固体和某酸反应制备SO2气体,制备SO2时所选用的酸,你认为下列最适宜选用的是______________。
A.浓盐酸B.浓硝酸
C.质量分数为70%的硫酸D.质量分数为10%的硫酸
(3)步骤①中制备连二亚硫酸钠的化学方程式可表示为____________________________。
(4)上述步骤②中,加入适量乙醇水溶液的作用是______________。
(5)在包装保存“保险粉”时加入少量的Na2CO3固体,目的是_________________________。
(6)①现将0.05mol/LNa2S2O4溶液在空气中放置,其溶液的pH与时间(t)的关系如图所示。
t1时溶液中只有NaHSO3一种溶质,此时含硫元素的粒子浓度由大到小的顺序为_______________。
②t1~t2段发生化学反应的离子方程式为______________________________。
Ⅱ.电解法制备:
工业上用惰性电极电解NaHSO3溶液得到Na2S2O4。
过程如图所示
(7) ①产品在_________________(填“阳极”、“阴极”)得到。
②若不加隔膜,则连二亚硫酸钠产率降低,其原因是__________________________________。
【答案】+3CNaOH+HCOONa+2SO2=Na2S2O4+CO2+H2O连二亚硫酸钠难溶于乙醇,用乙醇水溶液可降低连二亚硫酸钠的在溶液中的溶解度,有利于Na2S2O4晶体析出Na2CO3为碱性物质,提高“保险粉”的稳定性c(HSO3-)>c(SO32-)>c(H2SO3)2HSO3-+O2=2H++2SO42-阴极若不加隔膜,则部分HSO3-到阳极失电子发生氧化反应生成硫酸根离子,得不到连二亚硫酸钠,使连二亚硫酸钠产率下降或部分HSO3-被阳极产生的Cl2氧化生成SO42-,使连二亚硫酸钠产率下降
【解析】Ⅰ.
(1)连二亚硫酸钠(Na2S2O4)中钠元素为+1价,氧元素为-2价,根据正负化合价的代数和为0,硫元素的化合价为+3价,故答案为:
+3;
(2)二氧化硫具有还原性,能被硝酸氧化,盐酸中的氯化氢易挥发,制得的二氧化硫不纯,70%的H2SO4产生二氧化硫的速率较快,故选C;
(3)SO2气体通入甲酸钠的碱性溶液可以生成Na2S2O4和二氧化碳,反应的化学方程式为NaOH+HCOONa+2SO2=Na2S2O4+CO2+H2O,故答案为:
NaOH+HCOONa+2SO2=Na2S2O4+CO2+H2O;
(4)根据题意,Na2S2O4易溶于水、难溶于乙醇。
加入适量乙醇水溶液可以降低连二亚硫酸钠的在溶液中的溶解度,有利于Na2S2O4晶体析出,故答案为:
连二亚硫酸钠难溶于乙醇,用乙醇水溶液可降低连二亚硫酸钠的在溶液中的溶解度,有利于Na2S2O4晶体析出;
(5)由信息可知在碱性介质中稳定,则在包装保存“保险粉”时加入少量的Na2CO3固体,目的是Na2CO3为碱性物质,提高“保险粉”的稳定性,故答案为:
Na2CO3为碱性物质,提高“保险粉”的稳定性;
(6)①NaHSO3的电离程度大于水解程度,溶液显酸性,含硫元素的粒子浓度由大到小的顺序为c(HSO3-)>c(SO32-)>c(H2SO3),故答案为:
c(HSO3-)>c(SO32-)>c(H2SO3);
②Na2S2O4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-,t1点是为0.1mol/L的NaHSO3,根据图像t2时pH=1,说明NaHSO3完全被氧化生成硫酸氢钠,t1~t2段发生化学反应的离子方程式为2HSO3-+O2=2H++2SO42-,故答案为:
2HSO3-+O2=2H++2SO42-;
Ⅱ.(7) ①用惰性电极电解NaHSO3溶液得到Na2S2O4,反应过程中S元素的化合降低,被还原,应该在阴极上反应得到Na2S2O4,故答案为:
阴极;
②若不加隔膜,则部分HSO3-到阳极失电子发生氧化反应,也可能被阳极产生的氯气氧化,结果都会生成硫酸根离子,得不到连二亚硫酸钠,使连二亚硫酸钠产率下降,故答案为:
若不加隔膜,则部分HSO3-到阳极失电子发生氧化反应生成硫酸根离子,得不到连二亚硫酸钠,使连二亚硫酸钠产率下降。
4.电解原理在化学工业中有广泛应用。
I.右图表示一个电解池,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。
请完成以下问题:
(1)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试液,则:
①在X极附近观察到的现象是_________________;
②电解一段时间后,该反应总离子方程式_______________________________;若用该溶液将阳极产物全部吸收,反应的离子方程式__________________________。
(2)若用该装置电解精炼铜,电解液a选用CuSO4溶液,则:
X电极的材料是____________,电解一段时间后,CuSO4溶液浓度_________(填“增大”、减小”或“不变”)。
(3)若X、Y都是惰性电极,a是溶质为Cu(NO3)2和X(NO3)3,且均为0.1mol的混合溶液,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_____。
II.右图为模拟工业离子交换膜法电解饱和食盐水制备烧碱的工作原理。
下列说法正确的是____。
A.从E口逸出的气体是Cl2
B.从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性
C.标准状况下每生成22.4LCl2,便产生2molNaOH
D.电解一段时间后加适量盐酸可以恢复到电解前的浓度
【答案】放出气体,溶液变红2Cl-+2H2O
2OH-+Cl2↑+H2↑Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O纯铜减小Cu2+>H+>X3+BC
【解析】试题分析:
本题考查电解的原理和电解原理的应用,离子放电顺序的判断和电化学的计算。
I.X与外加电源的负极相连,X为阴极,Y为阳极。
(1)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试液。
①X电极的电极反应式为2H++2e-=H2↑,X电极附近水的电离平衡(H2O
H++OH-)正向移动,H+继续放电,溶液中c(OH-)
c(H+),溶液呈碱性,遇酚酞变红色,X极附近观察到的现象是放出气体,溶液变红。
②Y电极的电极反应式为2Cl--2e-=Cl2↑,电解一段时间后,该反应总离子方程式为2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑;若用该溶液将阳极产物全部吸收,NaOH与Cl2反应的离子方程式为Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O。
(2)电解精炼铜,粗铜作阳极,纯铜作阴极,X的电极材料为纯铜。
阳极(Y电极)的电极反应为:
比Cu活泼的金属发生氧化反应和Cu-2e-=Cu2+,阴极(X电极)电极反应式为Cu2++2e-=Cu,根据电子守恒和原子守恒,电解一段时间后CuSO4溶液浓度减小。
(3)由图像知开始通过0.2mol电子析出固体的质量达到最大值,结合阳离子物质的量都为0.1mol,则Cu2+优先在阴极放电,Cu2+的氧化能力最强,继续通电,阴极不再有固体析出,接着H+放电,X3+不放电,则Cu2+、X3+、H+氧化能力由大到小的顺序是Cu2+
H+
X3+。
II.根据Na+的流向可以判断装置左边电极为阳极,右边电极为阴极。
A项,右边电极的电极反应为2H++2e-=H2↑,E口逸出的气体是H2,错误;B项,装置图中的阴极室产生NaOH,从B口加入含少量NaOH的水溶液,增大溶液中离子的浓度,增强导电性,正确;C项,n(Cl2)=22.4L
22.4L/mol=1mol,根据电解方程式2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,生成NaOH物质的量为2mol,正确;D项,根据元素守恒,电解一段时间后通入适量的HCl气体可以恢复到电解前的浓度,不是盐酸,错误;答案选BC。
5.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_______________
(2)电极A可能观察到的
现象是_________________
(3)设计检测上述气体实验装置时,各接口的正确连接顺序为_______接_______、_______接A,B接_______、_______接_______。
(4)实验中,在盛有KI淀粉溶液的容器中发生反应的离子方程式为__________________。
【答案】
(1)2H++2e-==H2↑2Cl-—2e
-==Cl2↑+2e-
(2)溶液变红,有气体产生(3)HFGDEC
(4)Cl2+2I-===2Cl-+I2
【解析】
试题分析:
(1)要达到电解食盐水的目的,则电解池中铁棒必须连接电源的负极而作阴极,碳棒则连接电源的正极而作阳极,反之,铁作阳极则Fe2+进入溶液,无法实现电解食盐水的目的。
A极发生的电极反应式是2H++2e-==H2↑;B极发生的电极反应式是2Cl-—2e
-==Cl2↑+2e-
(2)电源负极接电解池的铁棒,负极区氢离子放电生成氢气和氢氧化钠,所以电极A可能观察到的
现象是溶液变红,有气体产生。
(3)电解池左边A导管口产生H2,右边B导管口产生Cl2,以电解池为中心,则有:
H←F、G←A、B→D、E→C,相应装置的作用:
(4)实验中,在盛有KI淀粉溶液的容器中发生反应的离子方程式为Cl2+2I-===2Cl-+I2。
考点:
本题考查化学反应中的能量变化。
6.纳米级Fe粉是新型材料,具有超强磁性、高效催化性。
某化学小组探究用氢气和碳酸亚铁制取纳米级铁粉。
其实验设计如图(加热、支持装置省略)
(1)a的名称是________________;浓硫酸的作用是________________。
(2)打开分液漏斗活塞,一段时间后再对C装置加热,这样操作的目的是_______________;反应一段时间后D中变蓝,E中溶液变浑浊,C中发生反应的化学方程式为______________。
(3)反应中若观察到B装置中气泡产生过快,则应进行的操作是_____________________。
(4)反应一段时间后,B中产生气泡太慢,再滴加硫酸反应速率略有加快但不明显;若向硫酸中加少量硫酸铜再滴入与Zn反应,反应速率明显加快,原因是____________________。
(5)检验碳酸亚铁中含有铁元素的实验方法是______________________。
【答案】
(1)蒸馏烧瓶(1分)吸收氢气中的水蒸气(或干燥氢气)(2分)
(2)排除体系内的空气,防止干挠实验,防止爆炸(2分)FeCO3+H2
Fe+CO2+H2O(2分)
(3)调节A中分液漏斗活塞,减慢硫酸滴加速度(2分,不全对扣1分)
(4)锌与硫酸铜反应生成铜,铜与锌形成原电池(锌为负极),加快了反应速率(2分)
(5)取少量FeCO3加适量盐酸完全溶解,再加入少量K3[Fe(CN)3]溶液,产生蓝色沉淀,则碳酸亚铁中含有铁元素。
(溶解后加入氧化剂,检验Fe3+也可)(2分)
【解析】
【分析】
【详解】
本题的实验目的是用氢气和碳酸亚铁制取纳米级铁粉,根据装置分析可知,A为H2的制取装置,B为干燥装置,C为H2还原FeCO3制取纳米级铁粉。
D中无色硫酸铜可用于检验水的存在,E中澄清石灰水则用于检验CO2。
(1)仪器a是圆底烧瓶;B为干燥装置,所以浓硫酸的作用是吸收氢气中的水蒸气。
(2)因H2是爆炸气体,所以在操作时必须先排除装置中的空气,必须打开分液漏斗活塞,一段时间后再对C装置加热,防止装置中的空气干挠实验,造成爆炸的危险。
反应一段时间后D中变蓝,说明有水生成,E中溶液变浑浊,说明有CO2生成。
则C中发生反应的化学方程式为FeCO3+H2
Fe+CO2+H2O。
(3)反应中若观察到B装置中气泡产生过快,则说明A处产生H2的速率过快,可调节A中分液漏斗活塞,减慢硫酸滴加速度。
(4)加少量硫酸铜再滴入与Zn反应,锌与硫酸铜反应生成铜,铜与锌形成原电池(锌为负极),加快了反应速率。
(5)检验碳酸亚铁中含有铁元素的实验方法是取少量FeCO3加适量盐酸完全溶解,再加入少量K3[Fe(CN)3]溶液,产生蓝色沉淀,则碳酸亚铁中含有铁元素。
。
7.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
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