高考化学大题精做10以电化学为主线串联反应原理综合题含答案.docx
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高考化学大题精做10以电化学为主线串联反应原理综合题含答案
大题精做十以电化学为主线串联反应原理
1.(2018·宁德模拟)高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型、高效的水处理剂,与水反应的化学方程式为4Na2FeO4+10H2O===4Fe(OH)3+3O2↑+8NaOH。
电解制备Na2FeO4装置示意图如图所示。
(1)a是电源的_____(填“正”或“负”)极。
电解时,石墨电极附近溶液的碱性______(填“增强”“减弱”或“不变”)。
(2)铁电极的反应式为_________________________________________________。
(3)维持一定的电流强度和电解温度,NaOH起始浓度对Na2FeO4浓度影响如图(电解液体积相同的情况下进行实验)。
①电解3.0h内,随NaOH起始浓度增大,Na2FeO4浓度变化趋势是________(填“增大”“不变”或“减小”)。
②当NaOH起始浓度为16mol·L−1,1.0~2.0h内生成Na2FeO4的速率是________mol·L−1·h−1。
③A点与B点相比,n[Fe(OH)3]∶A________B(填“>”“=”或“<”)。
(4)提纯电解所得Na2FeO4,采用重结晶、过滤、洗涤、低温烘干的方法,则洗涤剂最好选用________(填标号)溶液和异丙醇。
A.Fe(NO3)3 B.NH4Cl C.CH3COONa
(5)次氯酸钠氧化法也可以制得Na2FeO4。
已知:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=akJ·mol−1
NaCl(aq)+H2O(l)===NaClO(aq)+H2(g) ΔH=bkJ·mol−1
4Na2FeO4(aq)+10H2O(l)===4Fe(OH)3(s)+3O2(g)+8NaOH(aq) ΔH=ckJ·mol−1
反应2Fe(OH)3(s)+3NaClO(aq)+4NaOH(aq)===2Na2FeO4(aq)+3NaCl(aq)+5H2O(l)的ΔH=_____kJ·mol−1。
【解析】
(1)应该用铁作阳极电解氢氧化钠制备高铁酸钠,电解时铁失去电子发生氧化反应结合OH−生成FeO
和H2O,电极反应式为Fe+8OH−-6e−===FeO
+4H2O;因此a是电源的负极,b为电源的正极;电解时,石墨电极为阴极,阴极发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH−,石墨电极附近溶液的碱性增强。
(2)根据上述分析,铁电极的反应式为Fe+8OH−-6e−===FeO
+4H2O。
(3)①根据图像,电解3.0h内,随NaOH起始浓度增大,Na2FeO4浓度逐渐增大。
②根据图像,当NaOH起始浓度为16mol·L−1时,1.0~2.0h内生成Na2FeO4的速率为
=8mol·L−1·h−1。
③根据图像,A点与B点相比,Na2FeO4浓度:
A>B,根据铁原子守恒,n[Fe(OH)3]∶A
(4)由题给反应知,洗涤剂最好选用碱性溶液来抑制FeO
的水解。
Fe(NO3)3、NH4Cl溶液中因Fe3+、NH
的水解溶液均显酸性;CH3COONa溶液因CH3COO−的水解而显碱性,故C符合题意。
(5)将3个已知的热化学方程式按顺序分别编号为①、②、③,根据盖斯定律,将-①×
-②×3-③×
,得:
2Fe(OH)3(s)+3NaClO(aq)+4NaOH(aq)===2Na2FeO4(aq)+3NaCl(aq)+5H2O(l) ΔH=(-
a-3b-
c)kJ·mol−1。
【答案】
(1)负 增强
(2)Fe+8OH−-6e−===FeO
+4H2O
(3)①增大 ②8 ③<
(4)C
(5)-
a-3b-
c
1.金属镓是广泛用于电子工业和通讯领域的重要金属,化学性质与铝元素相似。
(1)工业上提纯镓的方法很多,其中以电解精炼法为多。
具体原理如下:
以待提纯的粗镓(内含Zn、Fe、Cu杂质)为阳极,以高纯镓为阴极,以NaOH水溶液为电解质溶液。
在电流作用下使粗镓在阳极溶解进入电解质溶液,并通过某种离子迁移技术到达阴极并在阴极放电析出高纯镓。
①已知离子氧化性顺序为Zn2+<Ga3+<Fe2+<Cu2+。
电解精炼镓时阳极泥的成分是_______。
②GaO
在阴极放电的电极方程式是__________________________。
(2)工业上利用固态Ga与NH3高温条件下合成固体半导体材料氮化镓(GaN)同时又有氢气生成。
反应中每生成3molH2时就会放出30.8kJ热量。
①该反应的热化学方程式为__________________________。
②一定条件下,加入一定量的Ga与NH3进行上述反应,下列叙述符合事实且可作为判断反应已达到平衡状态的标志的是_______________。
A.恒温恒压下,混合气体的密度不变
B.断裂3molH—H键,同时断裂2molN—H键
C.恒温恒压下达平衡后再加入2molH2使平衡移动,NH3消耗速率等于原平衡时NH3的消耗速率
D.升高温度,氢气的生成速率先增大再减小
【解析】
(1)①已知离子氧化性顺序为:
Zn2+<Ga3+<Fe2+<Cu2+,则电解精炼镓时阳极是Zn和Ga失去电子,而铁和铜变为阳极泥;综上所述,本题答案是:
Fe、Cu。
②GaO
在阴极得到电子转化为金属单质,因此放电的电极方程式是:
GaO
+3e−+2H2O===Ga+4OH−;综上所述,本题答案是:
GaO
+3e−+2H2O===Ga+4OH−。
(2)①反应中每生成3molH2时就会放出30.8kJ热量,因此该反应的热化学方程式为:
2Ga(s)+2NH3(g)===2GaN(s)+3H2(g)ΔH=-30.8kJ/mol;综上所述,本题答案是:
2Ga(s)+2NH3(g)===2GaN(s)+3H2(g)ΔH=-30.8kJ/mol。
②A.密度是混合气的质量和容器容积的比值,在反应过程中质量是不变的,正反应体积增大,压强不变,因此容积变化,所以恒温恒压下,混合气体的密度不变说明反应达到平衡状态,A正确;B.断裂3molH—H键,同时断裂6molN—H键,说明反应达到平衡状态,B错误;C.恒温恒压下达平衡,加入2molH2使平衡移动,由于平衡是等效的,因此NH3的消耗速率等于原平衡时NH3的消耗速率,C正确;D.升高温度,氢气的生成速率先增大再减小,最后不变,D错误;综上所述,本题选AC。
【答案】
(1)Fe、CuGaO
+3e−+2H2O===Ga+4OH−
(2)2Ga(s)+2NH3(g)===2GaN(s)+3H2(g)ΔH=-30.8kJ/molAC
2.研究发现,NOx和SO2是雾霾的主要成分。
Ⅰ.NOx主要来源于汽车尾气,可以利用化学方法将二者转化为无毒无害的物质。
已知:
N2(g)+O2(g)
2NO(g) ΔH=+180kJ·mol−1
2CO(g)+O2(g)
2CO2(g) ΔH=-564kJ·mol−1
(1)2NO(g)+2CO(g)
2CO2(g)+N2(g) ΔH=________。
(2)T℃时,将等物质的量的NO和CO充入容积为2L的密闭容器中,保持温度和体积不变,反应过程(0~15min)中NO的物质的量随时间变化如图所示。
①已知:
平衡时气体的分压=气体的体积分数×体系的总压强,T℃时达到平衡,此时体系的总压强为p=20MPa,则T℃时该反应的压力平衡常数Kp=_______;平衡后,若保持温度不变,再向容器中充入NO和CO2各0.3mol,平衡将_____(填“向左”、“向右”或“不”)移动。
②15min时,若改变外界反应条件,导致n(NO)发生如上图所示的变化,则改变的条件可能是___(填序号)
A.增大CO浓度B.升温C.减小容器体积D.加入催化剂
Ⅱ.SO2主要来源于煤的燃烧。
燃烧烟气的脱硫减排是减少大气中含硫化合物污染的关键。
已知:
亚硫酸:
Ka1=2.0×10−2Ka2=6.0×10−7
(3)请通过计算证明,NaHSO3溶液显酸性的原因:
_________________________
(4)如图示的电解装置,可将雾霾中的NO、SO2转化为硫酸铵,从而实现废气的回收再利用。
通入NO的电极反应式为____________________;若通入的NO体积为4.48L(标况下),则另外一个电极通入的SO2质量至少为________g。
【解析】
(1)由盖斯定律可知:
①N2(g)+O2(g)
2NO(g),②2CO(g)+O2(g)
2CO2(g),②-①得出:
ΔH=(-564-180)kJ·mol-1=-744kJ·mol-1;
(2)①2NO(g)+2CO(g)
2CO2(g)+N2(g)
起始/mol:
0.40.400
变化/mol:
0.20.20.20.1
平衡/mol:
0.20.20.20.1
p(NO)=p(CO)=p(CO2)=20MPa×
=
;p(N2)=20MPa×
=
Kp=
=
=0.0875;根据①的分析,化学平衡常数K=5,再向容器中充入NO和CO2各0.3mol,此时的浓度商为仍为5,因此平衡不移动;②15min时,改变某一因素,NO的物质的量减少,说明平衡向正反应方向移动。
增大CO的浓度,平衡向正反应方向移动,NO的物质的量减小,A项正确;正反应是放热反应,升温,平衡向逆反应方向移动,NO的物质的量增大,B项错误;减小容器的体积,相当于增大压强,平衡向正反应方向移动,NO物质的量减小,C项正确;加入催化剂,化学平衡不移动,D项错误;(3)HSO
的水解常数K=Kw/Ka1=5.0×10−13 ,即NO在阴极上发生NO+6H++5e−===NH +H2O;阳极反应式为SO2+2H2O-2e−===4H++SO ,根据得失电子数目守恒,因此有2NO~10e−~5SO2,求出SO2的质量为4.48×5×64/(2×22.4)g=32g。 【答案】 (1)-744kJ·mol−1 (2)0.0875(或7/80)不AC (3)HSO 的水解常数K=Kw/Ka1=5.0×10−13 的电离常数),所以显酸性 (4)6H++NO+5e−===NH +H2O32 3.2017年11月16日,国土资源部召开新闻发布会,宣布天然气水合物,即“可燃冰”新矿种获得国务院批准,成为我国第173个矿种。 “可燃冰”主要成分的分子式是CH4·8H2O,一旦温度升高或压强降低,甲烷气就会逸出,固体水合物便趋于崩解。 “可燃冰”将成为人类的后续能源。 (1)将320g可燃冰释放的甲烷完全燃烧生成液态水时,可放出1780.6kJ的能量,则表示甲烷燃烧热的热化学方程式是__________________。 (2)CH4不仅是优质的气体燃料,还能利用它和CO2重整,发生反应: CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g),获得合成气(主要成分为CO、H2),从而减少温室气体的排放。 在一定条件下CH4的平衡转化率与温度及压强(单位: Pa)的关系如图所示。 则y点: v(正)____(填“>”、“=”或“<”,下同)v(逆);压强: p1____p2;该反应的ΔH____0。 (3)在恒温、p2下,在一容积可变的容器中,达到平衡状态x时四种气体的物质的量均为1mol,若此时再充入四种气体各1mol,则平衡____(填“向左”、“向右”或“不”)移动。 (4)一定条件下,CH4还可与NO2反应,改善雾霾天气,其化学方程式为CH4(g)+2NO2(g) CO2(g)+2H2O(g)+N2(g),在恒温恒容下,下列可以判断该反应达到平衡状态的是____(填序号)。 a.v逆(N2)=2v正(H2O) b.混合气体的密度不再变化 c.混合气体的物质的量不再变化 d.单位时间内有1molNO2消耗同时消耗1molCO2 e.混合气体的平均相对分子质量不变 f.CH4与CO2的物质的量之比不再发生变化 (5)在恒温恒容下,使1molCH4(g)与2molNO2反应,达平衡后,再往反应器中分别充入下列气体,可以使CH4(g)+2NO2(g) CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)中NO2转化率增大的是____(填序号)。 A.CH4B.CO2C.物质的量之比为1∶2的CH4与NO2D.N2 (6)CH4还可以运用到电化学中,某课外小组用CH4为燃料,空气为氧化剂,稀土金属材料作电极,电浮选凝聚法处理污水,设计如图所示装置。 则甲烷燃料电池的总反应式为______。 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(如图),A物质的化学式是______。 【解析】 (1)320g可燃冰可释放2mol甲烷,2mol甲烷完全燃烧放出1780.6kJ能量,则1mol甲烷完全燃烧放出890.3kJ能量,故甲烷燃烧热的热化学方程式为: CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3kJ·mol−1; (2)y点甲烷转化率低于平衡时甲烷转化率,故反应还需正向进行,故v(正)>v(逆);该反应正向为气体体积增大的反应,减小压强,平衡正向移动,由p1到p2,甲烷转化率降低,即增大了压强,故p1 (6)根据甲烷与氧气反应生成CO2和H2O写出该总反应式为: CH4+2O2===CO2+2H2O;该电池正极反应式为: ,负极反应式为: ,由此可知,物质A为CO2。 【答案】 (1)CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3kJ·mol-1 (2)><> (3)不 (4)cef (5)A (6)CH4+2O2===CO2+2H2OCO2 4. (一)合成氨工艺(流程如图所示)是人工固氮最重要的途径。 2018年是合成氨工业先驱哈伯(P·Haber)获得诺贝尔奖100周年。 N2和H2生成NH3的反应为: 1/2N2(g)+3/2H2(g) NH3(g)ΔH(298K)=-46.2KJ·mol−1,在Fe催化剂作用下的反应历程为(*表示吸附态) 化学吸附: N2(g)→2N*;H2(g)→2H*; 表面反应: N*+H* NH*;NH*+H* NH2*;NH2*+H* NH3* 脱附: NH3* NH3(g) 其中,N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。 请回答: (1)利于提高合成氨平衡产率的条件有__________。 A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂 (2)标准平衡常数KΘ= ,其中pΘ为标准压强(1×105Pa),PNH3、PN2和PH2为各组分的平衡分压,如PNH3=xNH3·p,p为平衡总压,xNH3·p为平衡系统中NH3的物质的量分数; ①N2和H2起始物质的量之比为1∶3,反应在恒定温度和标准压强下进行,NH3的平衡产率为w,则KΘ=_____________(用含w的最简式表示); ②下图中可以示意标准平衡常数KΘ随温度T变化趋势的是_______。 (3)实际生产中,常用工艺条件,Fe作催化剂,控制温度773K,压强3.0X105Pa,原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。 ①分析说明原料气中N2过量的理由________________________。 ②关于合成氨工艺的下列理解,正确的是_______。 A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔH都小于零 B.控制温度(773K)远高于室温,是为了保证尽可能的平衡转化率和快的反应速率 C.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率 D.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行 E.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生。 (二)高铁酸钾(K2FeO4)可用作水处理剂。 某同学通过“化学-电解法”探究的合成,其原理如图所示。 接通电源,调节电压,将一定量Cl2通入KOH溶液,然后滴入含Fe3+的溶液,控制温度,可制得K2FeO4。 (1)请写出“化学法”得到FeO 的离子方程式___________________________。 (2)请写出阳极的电极反应式(含FeO )___________________________________。 【解析】 (一) (1)由勒夏特列原理可知,根据反应 N2(g)+ H2(g) NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ/mol,为了提高合成氨平衡产率,即平衡正向移动,低温和高压符合条件,答案选AD; (2)① N2(g)+ H2(g) NH3(g) 起始量: 130 转化量: 3 2 平衡量: 1- 3-3 2 x(NH3)%= ;x(N2)%=;x(H2)%= ,化简得 ; ②反应 N2(g)+ H2(g) NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ/mol为放热反应,温度T升高,平衡向逆反应方向移动,K0减小,InK0也减小,InK0与温度不成正比,故答案选A;(3)①由反应 N2(g)+ H2(g) NH3(g)可知,加过量氮气,有利于平衡正向移动,提高H2的转化率以及氨气的产率,同时根据题干“N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。 ”可知,N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率。 ②易知A选项正确;控制温度远高于室温是为了保证催化剂的活性,提高反应速率,并非为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率,B错误;恒压条件充入少量惰性气体,相当于减压,平衡逆向移动,不利于提高平衡转化率,C错误;不断将氨气液化,生成物浓度降低,有利于平衡正向移动,D正确,当选;通过天然气和水蒸气转化制得的H2,由于含有CH4,CO等易燃易爆气体,容易出现安全隐患,此外CH4,CO可能会与催化剂反应,造成催化剂活性降低,所以必须经过净化处理,E正确。 答案选ADE; (二) (1)将一定量C12通入KOH溶液,生成KCl和KClO,KClO具有强氧化性,将Fe3+氧化为FeO42-,然后根据碱性环境,配平即可,得到2Fe3++3C1O−+10OH−===2FeO +3Cl−+5H2O或2Fe(OH)3+3C1O−+4OH−===2FeO +3Cl−+5H2O; (2)阳极失电子,反应物为Fe3+产物为FeO ,然后根据碱性环境及守恒规则,易写出Fe3++8OH−-3e−===FeO +4H2O或Fe(OH)3+5OH−-3e−===FeO +4H2O。 【答案】 (一) (1)AD (2) A (3)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率ADE (二) (1)2Fe3++3C1O−+10OH−===2FeO +3Cl−+5H2O或2Fe(OH)3+3C1O−+4OH−===2FeO +3Cl−+5H2O (2)Fe3++8OH−-3e−===FeO +4H2O或Fe(OH)3+5OH−-3e−===FeO +4H2O
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