第一部分专题十一 化学能与电能电化学.docx
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第一部分专题十一化学能与电能电化学
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1.深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌作用下,能被硫酸根腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示,下列与此原理有关说法错误的是( )
A.正极反应:
SO
+5H2O+8e-===HS-+9OH-
B.输送暖气的管道不易发生此类腐蚀
C.这种情况下,Fe腐蚀的最终产物为Fe2O3·xH2O
D.管道上刷富锌油漆可以延缓管道的腐蚀
解析:
原电池的正极发生还原反应,由题图可知发生的电极反应为SO
+5H2O+8e-===HS-+9OH-,故A正确;硫酸盐还原菌是蛋白质,在高温下易变性,失去催化能力,则输送暖气的管道不易发生此类腐蚀,故B正确;由题意可知,深埋在土壤中,即在缺氧环境中,Fe腐蚀的最终产物不能为Fe2O3·xH2O,故C错误;管道上刷富锌油漆,形成ZnFe原电池,Fe变为正极,可以延缓管道的腐蚀,故D正确。
答案:
C
2.
(2019·黑龙江大庆模拟)一种热激活电池可用作导弹、火箭的工作电源。
热激活电池中作为电解质的固体LiClKCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。
该电池总反应为:
PbSO4+2LiCl+Ca===CaCl2+Li2SO4+Pb,下列有关说法正确的是( )
A.负极反应式:
PbSO4+2e-+2Li+===Li2SO4+Pb
B.放电过程中,电流由钙电极流向硫酸铅电极
C.室温下,电池工作每转移0.1mol电子,理论上生成10.35gPb
D.放电过程中,Cl-向负极移动
解析:
A.原电池的正极为PbSO4电极,发生还原反应,电极方程式为PbSO4+2e-+2Li+===Li2SO4+Pb,故A错误;B.放电过程中,Ca被氧化生成CaCl2,为原电池的负极,PbSO4发生还原反应,为原电池的正极,电流由硫酸铅电极流向钙电极,故B错误;C.电解质熔融状态下,由电极方程式PbSO4+2e-+2Li+===Li2SO4+Pb可知每转移0.1mol电子,理论上生成0.05molPb,生成Pb的质量为207×0.05g=10.35g,但常温下,电解质不是熔融态,离子不能移动,不能产生电流,故C错误;D.放电时,内电路中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,即Cl-向负极移动,故D正确。
答案:
D
3.
(2019·广东肇庆二模)如图是利用一种微生物将废水中的有机物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能,下列说法中一定正确的是( )
A.质子透过阳离子交换膜由右向左移动
B.电子流动方向为N→Y→X→M
C.M电极反应式:
(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-===6nCO2↑+24nH+
D.当M电极微生物将废水中16.2g淀粉转化掉时,N电极产生134.4LN2(标况下)
解析:
A.由题意利用一种微生物将废水中有机物[主要成分是(C6H10O5)n]的化学能转化为电能的装置,即为原电池,质子透过阳离子交换膜,从左向右移动,故A错误;B.电子流动方向从负极经过导线到正极,为M→X→Y→N,故B错误;C.M极为有机物,M极为负极,发生氧化反应,负极的电极反应为(C6H10O5)n+7nH2O-24ne-===6nCO2↑+24nH+,故C正确;D.当M电极微生物将废水中16.2g淀粉转化掉时,物质的量为
mol,所以转移电子的物质的量为:
×24n=2.4mol,而生成1mol的氮气转移电子的物质的量为4mol,所以生成0.6mol的氮气,标况下的体积为13.44L,故D错误。
答案:
C
4.(2019·湖北沙市模拟)某种浓差电池的装置如下图所示,碱液室中加入电石渣浆液[主要成分为Ca(OH)2],酸液室通入CO2(以NaCl为支持电解质),产生电能的同时可生产纯碱等物质。
下列叙述错误的是( )
A.电子由M极经外电路流向N极
B.N电极区的电极反应式为2H++2e-===H2↑
C.在碱液室可以生成NaHCO3、Na2CO3
D.放电一段时间后,酸液室溶液pH增大
解析:
A.电极M为电池的负极,电子由M极经外电路流向N极,故A项正确;B.酸液室中的氢离子透过质子交换膜,在电极N表面得到电子生成氢气,N电极区的电极反应式为2H++2e-===H2↑,故B项正确;C.酸液室与碱液室之间为阴离子交换膜,钠离子不能进入碱液室,应在酸液室得到NaHCO3、Na2CO3,故C项错误;D.放电一段时间后,酸液室氢离子被消耗,最终得到NaHCO3、Na2CO3,溶液pH增大,故D项正确。
答案:
C
5.(2019·河北张家口模拟)一种检测空气中甲醛(HCHO)含量的电化学传感器的工作原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A.传感器工作时,工作电极电势高
B.工作时,H+通过质子交换膜向工作电极附近移动
C.当导线中通过1.2×10-6mol电子,进入传感器的甲醛为3×10-3mg
D.工作时,对电极区电解质溶液的pH增大
解析:
A.HCHO在工作电极失电子被氧化,做原电池的负极,工作电极电势低,故A项错误;B.根据原电池工作原理易知,工作时,溶液中的阳离子(氢离子)向电源的正极移动,即对电极方向,故B项错误;C.负极反应为HCHO+H2O-4e-===CO2+4H+,当电路中转移1.2×10-6mol电子时,消耗HCHO的物质的量为
×1.2×10-6mol=3.0×10-7mol,则HCHO质量为3.0×10-7mol×30g/mol=9×10-3mg,故C项错误;D.工作时,对电极的电极反应为:
4H++O2+4e-===2H2O,反应后生成水,虽然有相同数量的氢离子从负极迁移过来,但是,由于溶液的体积增大,正极区溶液的酸性减弱,其pH值增大(若忽略溶液的体积变化,则pH基本不变),故D项正确。
答案:
D
6.(2019·山东师范大学附中八模)如图是一种利用锂电池“固定CO2”的电化学装置,在催化剂的作用下,该电化学装置放电时可将CO2转化为C和Li2CO3,充电时选用合适催化剂,仅使Li2CO3发生氧化反应释放出CO2和O2。
下列说法中正确的是( )
A.该电池放电时,Li+向电极X方向移动
B.该电池充电时,电极Y与外接直流电源的负极相连
C.该电池放电时,每转移4mol电子,理论上生成1molC
D.该电池充电时,阳极反应式为:
C+2Li2CO3-4e-===3CO2↑+4Li
解析:
A.电池放电时,CO2转变成C和Li2CO3过程中,CO2中+4价C元素得到电子化合价降低,3CO2+4e-+4Li+===C+2Li2CO3,该反应发生在原电池正极即电极Y,负极X:
Li-e-===Li+,因此Li+向Y电极移动,A错误。
B.充电时选用合适催化剂,仅使Li2CO3发生氧化反应释放出CO2和O2,在此过程中,O元素失去电子从-2价变成0价,2Li2CO3-4e-===4Li++2CO2↑+O2↑,因此Y为阳极,连接电源正极,B错误。
C.由上述A的电极反应可以得到,当电路中转移4mol电子时正极有1molC生成,C正确。
D.由上述B可得D错误。
正确答案C。
答案:
C
7.曾在南充求学和工作过的青年学者孙旭平及其领衔团队,近日成功利用Mo2N纳米催化剂在0.1mol·L-1盐酸溶液中进行电催化固氮,装置如图所示,在一定电压下具有较高的产氨速率。
下列判断错误的是( )
A.Mo2N/GCE电极为阴极
B.溶液中H+通过隔膜向Mo2N/GCE电极区迁移
C.Mo2N/GCE电极区反应式为N2+6H++6e-===2NH3
D.为提高溶液的导电性,可在石墨电极区加入适量的盐酸
解析:
根据装置图,该装置具有外加电源,装置为电解池装置,左侧电极N2→NH3,N的化合价降低,根据电解原理,Mo2N/GCE为阴极,石墨为阳极,阴极反应式为N2+6H++6e-===2NH3,阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,根据上述分析,故A、B、C说法正确;石墨电极区加入适量的盐酸,则还原性强的氯离子优先放电,生成氯气,故D错误。
答案:
D
8.用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的NH
,模拟装置如图所示。
下列说法正确的是( )
A.阳极室溶液由无色变成棕黄色
B.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4
C.电解一段时间后,阴极室溶液中的pH升高
D.当电路中通过1mol电子的电量时,阴极有0.25mol的O2生成
解析:
A项,Fe为阳极,阳极上Fe失电子发生氧化反应生成Fe2+,所以溶液变浅绿色,错误;B项,电解时,溶液中NH
向阴极室移动,H+放电生成H2,所以阴极室中溶质为(NH4)3PO4或NH4H2PO4、(NH4)2HPO4,错误;C项,电解时,阴极上H+放电生成H2,溶液中c(OH-)增大,溶液中pH升高,正确;D项,阴极生成H2,错误。
答案:
C
9.ClO2是一种安全稳定的消毒剂。
工业上利用惰性电极电解氯化铵和盐酸制备ClO2的原理如图所示,下列有关说法错误的是( )
A.b电极接直流电源的负极
B.a电极上的电极反应式为NH
-6e-+3Cl-===NCl3+4H+
C.若有2gH2生成,通过阴离子交换膜的Cl-的物质的量为1mol
D.ClO2发生器中反应的离子方程式为6ClO
+NCl3+3H2O===6ClO2↑+NH3↑+3Cl-+3OH-
解析:
由题图知b电极上产生氢气,发生还原反应,故b电极是阴极,与直流电源负极相连,A项正确;由题图知a电极上有NCl3生成,故参与放电的离子有NH
与Cl-,B项正确;当有2gH2生成时,电路中有2mol电子发生转移,通过阴离子交换膜的Cl-的物质的量为2mol,C项错误;由题图中信息知,生成物有ClO2、NH3、NaCl、NaOH,故反应物有NCl3、ClO
,再结合电荷守恒等分析知D项正确。
答案:
C
10.如图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢电池充电装置(忽略其他有机物)的示意图。
已知储氢装置的电流效率η=
×100%,下列说法不正确的是( )
A.若η=75%,则参加反应的苯为0.8mol
B.该过程中通过C—H键断裂实现氢的储存
C.采用多孔电极增大了接触面积,可降低电池的能量损失
D.生成目标产物的电极反应式为
+6e-+6H+===
解析:
根据图示,苯加氢发生还原反应生成环己烷,装置中右侧电极为阴极,左侧电极为阳极,根据放电顺序,左侧电极的电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,生成1.6molO2时失去电子的物质的量为6.4mol,根据阴、阳极得失电子总数相等,阴极得到电子的物质的量为6.4mol,若η=75%,则生成环己烷消耗的电子的物质的量为6.4mol×75%=4.8mol,阴极发生的电极反应为
+6e-+6H+===
,参加反应的苯的物质的量n(
)=4.8mol÷6=0.8mol,A项正确;该过程中苯被还原为环己烷,C—H键没有断裂,形成了新的C—H键,B项错误;采用多孔电极增大了接触面积,使反应更充分,可降低电池能量损失,C项正确;储氢是将苯转化为环己烷,电极反应式为
+6e-+6H+===
,D项正确。
答案:
B
11.磷酸铁锂电池是一种高效环保的新型电池,装置如图所示,其中LiFePO4附着在铝箔表面,石墨材料附着在铜箔表面,电解质为溶解在有机溶剂中的锂盐,电池工作时的总反应为LiFePO4+6C
Li1-xFePO4+LixC6。
下列说法错误的是( )
(已知:
法拉第常数F=96500C/mol,电流利用效率=
×100%)
A.充电时,阳极的电极反应式为LiFePO4-xe-===Li1-xFePO4+xLi+
B.聚合物隔膜应为阳离子交换膜
C.放电时,负极质量增加
D.用该电池电解精炼铜,若电流强度I=2.0A,工作10分钟后得到铜0.32g,则电流利用效率约为80.4%
解析:
电池工作时的总反应为LiFePO4+6C
Li1-xFePO4+LixC6,充电时,LiFePO4在阳极上失电子发生氧化反应LiFePO4-xe-===Li1-xFePO4+xLi+,A项正确;从图中可以看出Li+发生迁移,故聚合物隔膜应为阳离子交换膜,B项正确;放电时,负极LixC6失电子发生氧化反应LixC6-xe-===6C+xLi+,Li+从负极迁移至正极,负极质量减小,C项错误;得到铜0.32g(0.005mol)时,转移电子0.01mol,消耗的电量Q=0.01mol×96500C/mol=965C,电流强度I=2.0A,电池工作10分钟,则电池实际输出电量Q=It=2.0×10×60=1200(C),则电流利用效率=
×100%=
×100%≈80.4%,D项正确。
答案:
C
12.天然气是清洁高效的能源,近年来已研制出多种以甲烷和氧气为原料的甲烷燃料电池。
如图所示是甲烷燃料电池的一种,甲烷的燃烧热为890kJ·mol-1,该电池能量转换效率为86.4%。
下列关于该电池的说法正确的是( )
[已知:
比能量=
,1kW·h=3.6×106J]
A.a极为负极,电子由b极流出
B.a极发生的反应为CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O
C.此电池放电时,电解质溶液的浓度不发生变化
D.该电池比能量约为4.8×107kW·h·kg-1
解析:
根据题给图示及反应CH4+2O2===CO2+2H2O知,甲烷发生氧化反应,对应的电极是负极,氧气发生还原反应,对应的电极是正极,a极有CO
产生,说明甲烷在此极发生反应,该极是电池的负极,则b极是电池的正极,原电池中电子应由负极流出,故A项错误;A气体是甲烷,且电解质溶液是碱性的,则反应生成碳酸根离子和水,故B项正确;该电池的正极反应式是2O2+8e-+4H2O===8OH-,在满足得失电子守恒的前提下,负极消耗的OH-的量与正极生成的OH-的量不等,故C项错误;设通入甲烷气体的质量为1kg,则放出的热量为
×890×103×0.864J=4.806×107J,则放出的电能为
kW·h=13.35kW·h,故该电池比能量为13.35kW·h·kg-1,D项错误。
答案:
B
13.氨气—氮氧化物燃料电池可用于处理氮氧化物,防止空气污染,其装置如图所示。
通入氨气的电极为________(填“正极”或“负极”)。
负极的电极反应式为_______________________________________________________________。
解析:
由题图可知,NH3在左侧电极发生氧化反应生成N2,氮氧化物在右侧电极被还原生成N2,故NH3通入负极,电极反应式为2NH3-6e-===N2+6H+。
答案:
负极 2NH3-6e-===N2+6H+
14.
(1)工业上可通过电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4,其工作原理如图所示。
阳极的电极反应式为______________________________________;
其中可循环使用的物质是____________________________。
(2)电解法处理氮氧化合物是目前大气污染治理的一个新思路,原理是将NOx在电解池中分解成无污染的N2除去,如图所示,两电极间是固体氧化物电解质,在一定条件下可自由传导O2-,若NOx为NO,则电解池阴极反应式为________________________________________________。
解析:
(1)电解池中阳极失去电子,则根据装置图可知阳极是铁电极,铁失去电子转化为高铁酸盐,阳极反应式为Fe-6e-+8OH-===FeO
+4H2O;由于水电离的H+在阴极放电:
2H++2e-===H2↑,c(OH-)增大,Na+通过阳离子交换膜进入阴极区,使阴极区c(NaOH)增大,故氢氧化钠可以循环使用。
(2)电解池的阴极发生得电子的反应,根据“NOx在电解池中分解成无污染的N2”,则阴极反应为2NO+4e-===N2+2O2-。
答案:
(1)Fe+8OH--6e-===FeO
+4H2O NaOH溶液
(2)2NO+4e-===N2+2O2-
15.三室式电渗析法在化工生产中有广泛应用
(1)处理烟气中SO2可以采用碱吸—电解法,流程如下,模拟过程Ⅱ的装置如图1所示。
①若用锌锰碱性电池作为电源,________(填“e”或“f”)极与锌极相连。
f极的电极反应式为________________。
②膜1为______(填“阴离子”或“阳离子”)交换膜,N为______(填离子符号)。
③电路中通过4mol电子时可收集________L气体P(标准状况)。
(2)次磷酸是一种重要还原剂和精细化工产品。
以次磷酸钠为原料,通过电渗析法可制备次磷酸,装置如图2所示。
①铜极为________;铂极电极反应式为____________________。
②H2PO
向________(填“左侧”或“右侧”)迁移。
在铜极区获得的产品为____________________(填化学式)。
③铜极电极反应式为____________________,该方法制备的H3PO2产品中含少量H3PO4杂质,原因是_________________________________________________。
解析:
(1)由题意知,左侧稀氢氧化钠溶液转化成浓氢氧化钠溶液,说明生成了氢氧化钠,右侧稀硫酸变成浓硫酸,则说明生成了硫酸,将SO
氧化成SO
,由此推知,左侧电极反应式为2H++2e-===H2↑,右侧电极反应式为SO
+H2O-2e-===SO
+2H+。
①e极为阴极,与锌锰碱性电池的锌极(负极)相连,f极为阳极,发生氧化反应:
SO
+H2O-2e-===SO
+2H+。
②亚硫酸钠中钠离子向左侧迁移,膜1为阳离子交换膜;SO
向右侧迁移,膜2为阴离子交换膜,N为SO
。
③P为H2,又2H++2e-===H2↑,电路中通过4mol电子,则n(H2)=
=2mol,标准状况下V(H2)=44.8L。
(2)①由题图可知,铜与电源负极相连,故铜为阴极,发生还原反应:
2H++2e-===H2↑;铂为阳极,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑。
②铂极区氢离子浓度增大,H2PO
向铂极区迁移,钠离子向铜极区迁移,铜极区产品为氢氧化钠,铂极区产品为次磷酸。
③铂极区有氧气生成,次磷酸具有还原性,易被O2氧化,H3PO2+O2===H3PO4。
答案:
(1)①e SO
+H2O-2e-===SO
+2H+
②阳离子 SO
③44.8
(2)①阴极 4OH--4e-===2H2O+O2↑
②右侧 NaOH ③2H++2e-===H2↑
铂极生成的O2氧化H3PO2生成H3PO4
16.高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂,而且高铁电池的研制也在进行中。
如图1是高铁电池的模拟实验装置:
图1
图2
(1)该电池放电时正极的电极反应式为_______________________________;
若维持电流强度为1A,电池工作十分钟,理论上消耗Zn________g(已知F=96500C·mol-1)。
(2)盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向________(填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向________(填“左”或“右”)移动。
(3)图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有______________________________________________________________。
解析:
(1)放电时高铁酸钾为正极,正极发生还原反应,电极反应式为FeO
+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH-;若维持电流强度为1A,电池工作十分钟,转移电子的物质的量为1×10×60÷96500=0.0062176(mol)。
理论上消耗Zn的质量0.0062176mol÷2×65g·mol-1≈0.2g(已知F=96500C·mol-1)。
(2)电池工作时,阴离子移向负极,阳离子移向正极,所以盐桥中氯离子向右移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向左移动。
(3)由题图可得出高铁电池的优点有使用时间长、工作电压稳定。
答案:
(1)FeO
+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH- 0.2
(2)右 左
(3)使用时间长、工作电压稳定
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