高考化学与化学能与电能有关的压轴题附详细答案.docx
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高考化学与化学能与电能有关的压轴题附详细答案
高考化学与化学能与电能有关的压轴题附详细答案
一、化学能与电能
1.某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素,将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部,塞上瓶塞(如图1)。
从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液,同时测量容器中的压强变化。
(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格):
编号
实验目的
碳粉/g
铁粉/g
醋酸/%
①
为以下实验作参照
0.5
2.0
90.0
②
醋酸浓度的影响
0.5
__
36.0
③
__
0.2
2.0
90.0
(2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。
t2时,容器中压强明显小于起始压强,其原因是铁发生了_____________腐蚀,请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向;此时,碳粉表面发生了__(“氧化”或“还原”)反应,其电极反应式是___________________________________。
(3)该小组对图2中0~t1时压强变大的原因提出了如下假设,请你完成假设二:
假设一:
发生析氢腐蚀产生了气体;
假设二:
______________________________;
……
(4)为验证假设一,某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。
请你再设计一个实验方案验证假设一,写出实验步骤和结论。
实验步骤和结论(不要求写具体操作过程):
__________
【答案】2.0碳粉含量的影响吸氧还原反应2H2O+O2+4e-=4OH-(或4H++O2+4e-=2H2O)反应放热,温度升高,体积膨胀实验步骤和结论(不要求写具体操作过程)
①药品用量和操作同编号①实验(多孔橡皮塞增加进、出导管)
②通入氩气排净瓶内空气;
③滴入醋酸溶液,同时测量瓶内压强变化(也可测温度变化,检验Fe2+等)。
如果瓶内压强增大,假设一成立。
否则假设一不成立。
(本题属于开放性试题,合理答案均给分)
【解析】
【详解】
(1)探究影响化学反应速率,每次只能改变一个变量,故有②中铁的量不变,为2.0g;
③中改变了碳粉的质量,故为探究碳粉的量对速率的影响。
(2)t2时,容器中压强明显小于起始压强,说明锥形瓶中气体体积减小,说明发生了吸氧腐蚀,碳为正极,铁为负极,碳电极氧气得到电子发生还原反应,电极反应式为:
O2+2H2O+4e-=4OH-,故答案为:
还原;O2+2H2O+4e-=4OH-;
(3)图2中0-t1时压强变大的原因可能为:
铁发生了析氢腐蚀、铁与醋酸的反应为放热反应,温度升高时锥形瓶中压强增大,所以假设二为:
反应放热使锥形瓶内温度升高,故答案为:
反应放热使锥形瓶内温度升高;
(4)基于假设一,可知,产生氢气,发送那些变化,从变化入手考虑
实验步骤和结论(不要求写具体操作过程)
①药品用量和操作同编号①实验(多孔橡皮塞增加进、出导管)
②通入氩气排净瓶内空气;
③滴入醋酸溶液,同时测量瓶内压强变化(也可测温度变化,检验Fe2+等)。
如果瓶内压强增大,假设一成立。
否则假设一不成立。
(本题属于开放性试题,合理答案均给分)。
2.《我在故宫修文物》这部纪录片里关于古代青铜器的修复引起了某研学小组的兴趣。
“修旧如旧”是文物保护的主旨。
(1)查阅高中教材得知铜锈为Cu2(OH)2CO3,俗称铜绿,可溶于酸。
铜绿在一定程度上可以提升青铜器的艺术价值。
参与形成铜绿的物质有Cu和_______。
(2)继续查阅中国知网,了解到铜锈的成分非常复杂,主要成分有Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl。
考古学家将铜锈分为无害锈和有害锈,结构如图所示:
Cu2(OH)2CO3和Cu2(OH)3Cl分别属于无害锈和有害锈,请解释原因_____________。
(3)文献显示有害锈的形成过程中会产生CuCl(白色不溶于水的固体),请结合下图回答:
①过程Ⅰ的正极反应物是___________。
②过程Ⅰ负极的电极反应式是_____________。
(4)青铜器的修复有以下三种方法:
ⅰ.柠檬酸浸法:
将腐蚀文物直接放在2%-3%的柠檬酸溶液中浸泡除锈;
ⅱ.碳酸钠法:
将腐蚀文物置于含Na2CO3的缓冲溶液中浸泡,使CuCl转化为难溶的Cu2(OH)2CO3;
ⅲ.BTA保护法:
请回答下列问题:
①写出碳酸钠法的离子方程式___________________。
②三种方法中,BTA保护法应用最为普遍,分析其可能的优点有___________。
A.在青铜器表面形成一层致密的透明保护膜
B.替换出锈层中的Cl-,能够高效的除去有害锈
C.和酸浸法相比,不破坏无害锈,可以保护青铜器的艺术价值,做到“修旧如旧”
【答案】O2、H2O、CO2碱式碳酸铜为致密结构,可以阻止潮湿空气进入内部进一步腐蚀铜;而碱式氯化铜为疏松结构,潮湿空气可以进入空隙内将内部的铜进一步腐蚀氧气(H2O)Cu-e-+Cl-=CuCl4CuCl+O2+2H2O+2CO32-=2Cu2(OH)2CO3+4Cl-ABC
【解析】
【分析】
(1)由质量守恒定律可知,反应前后元素种类不变;
(2)结合图像可知,Cu2(OH)2CO3为致密结构,Cu2(OH)3Cl为疏松结构;
(3)正极得电子发生还原反应,过程Ⅰ的正极反应物是氧气,Cu作负极;
(4)在青铜器表面形成一层致密的透明保护膜;替换出锈层中的Cl-,能够高效的除去有害锈;BTA保护法不破坏无害锈。
【详解】
(1)铜锈为Cu2(OH)2CO3,由质量守恒定律可知,反应前后元素种类不变,参与形成铜绿的物质有Cu和O2、H2O、CO2;
(2)结合图像可知,Cu2(OH)2CO3为致密结构,可以阻止潮湿空气进入内部进一步腐蚀铜,属于无害锈。
Cu2(OH)3Cl为疏松结构,潮湿空气可以进入空隙内将内部的铜进一步腐蚀,属于有害锈;
(3)①结合图像可知,正极得电子发生还原反应,过程Ⅰ的正极反应物是氧气,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-;
②结合图像可知,过程Ⅰ中Cu作负极,电极反应式是Cu-e-+Cl-=CuCl;
(4)①碳酸钠法中,Na2CO3的缓冲溶液使CuCl转化为难溶的Cu2(OH)2CO3,离子方程式为4CuCl+O2+2H2O+2CO32-=2Cu2(OH)2CO3+4Cl-;
②A.在青铜器表面形成一层致密的透明保护膜,能保护内部金属铜,这能使BTA保护法应用更为普遍,故A正确;
B.Cu2(OH)3Cl为疏松结构,潮湿空气可以进入空隙内将内部的铜进一步腐蚀,属于有害锈。
替换出锈层中的Cl-,能够高效的除去有害锈,这能使BTA保护法应用更为普遍,故B正确;
C.酸浸法会破坏无害锈Cu2(OH)2CO3,BTA保护法不破坏无害锈,可以保护青铜器的艺术价值,做到“修旧如旧”,这能使BTA保护法应用更为普遍,故C正确;
答案选ABC。
3.某同学设计了甲烷燃料电池并探究某些工业电解原理(如图所示),其中乙装置为探究氯碱工业原理(X为阳离子交换膜,C为石墨电极),丙装置为探究粗铜精炼原理。
请回答下列问题:
(1)从a口通入的气体为_______。
(2)B电极的电极材料是________。
(3)写出甲中通甲烷一极的电极反应式:
________________________________。
(4)写出乙中发生的总反应的离子方程式为________________________________。
【答案】氧气粗铜CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
【解析】
【分析】
乙装置为探究氯碱工业原理,说明铁电极为阴极,则b为电源的负极,即通入甲烷,a为电源的正极,通入氧气。
丙为电解精炼铜,则A为精铜,B为粗铜。
【详解】
乙装置为探究氯碱工业原理,说明铁电极为阴极,则b为电源的负极,即通入甲烷,a为电源的正极,通入氧气。
丙为电解精炼铜,则A为精铜,B为粗铜。
(1)根据分析a极通入的为氧气;
(2)B连接电源的正极,是电解池的阳极,应为粗铜;
(3)根据电解质溶液为氢氧化钾分析,甲烷失去电子生成碳酸根离子,电极反应为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O;
(4)乙为电解氯化钠溶液,电解反应方程式为2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
【点睛】
掌握电解池的工作原理。
若阳极为活性电极,即是除了铂金以外的其它金属时,金属放电,不是溶液中的阴离子放电。
阴极为溶液中的阳离子放电。
掌握燃料电池的电极的书写。
注意电解质的酸碱性。
4.某课外小组分别用图中所示装置对原电池和电解原理进行实验探究。
请回答:
Ⅰ.用甲图装置进行第一组实验。
(1)在保证电极反应不变的情况下,不能替代Cu作电极的是________(填序号)。
A.铝B.石墨C.银D.铂
(2)N极为_______(填“正”“负”“阴”“阳”)电极,发生反应的电极反应式为__________。
(3)实验过程中,SO42-________(填“从左向右”“从右向左”或“不”)移动;滤纸上能观察到的现象有_____。
Ⅱ.用乙图装置进行第二组实验。
实验过程中,观察到与第一组实验不同的现象:
两极均有气体产生,Y极区溶液逐渐变成紫红色;停止实验,铁电极明显变细,电解液仍然澄清。
查阅资料得知,高铁酸根离子(FeO
)在溶液中呈紫红色,且需碱性环境才可产生。
(4)电解过程中,X极区溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(5)电解过程中,Y极发生的电极反应为_______________和____________________。
(6)若在X极收集到672mL气体,在Y极收集到168mL气体(均已折算为标准状况时气体体积),则Y电极(铁电极)质量减少________g。
(7)在碱性锌电池中,用高铁酸钾作为正极材料,电池反应为2K2FeO4+3Zn===Fe2O3+ZnO+2K2ZnO2。
该电池正极发生的反应的电极反应式为__________________________________。
【答案】A阴2H++2e-=H2↑(或2H2O+2e-=H2↑+2OH-)从右向左滤纸上有红褐色斑点产生(答出“红褐色斑点”或“红褐色沉淀”即可)增大Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O4OH--4e-=2H2O+O2↑0.282FeO42-+6e-+5H2O=Fe2O3+10OH-
【解析】
(1)在保证电极反应不变的情况下,仍然是锌作负极,则正极材料必须是不如锌活泼的金属或导电的非金属,铝是比锌活泼的金属,所以不能代替铜,故选A;
(2)N电极连接原电池负极,所以是电解池阴极,阴极上氢离子得电子发生还原反应,电极反应式为:
2H++2e-═H2↑(或2H2O+2e-═H2↑+2OH-),故答案为2H++2e-═H2↑(或2H2O+2e-═H2↑+2OH-);
(3)原电池放电时,阴离子向负极移动,所以硫酸根从右向左移动,电解池中,阴极上氢离子得电子生成氢气,阳极上铁失电子生成亚铁离子,亚铁离子和氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁,氢氧化亚铁被氧气氧化生成氢氧化铁,所以滤纸上有红褐色斑点产生,故答案为从右向左,滤纸上有红褐色斑点产生;
(4)电解过程中,阴极上氢离子放电生成氢气,则阴极附近氢氧根离子浓度大于氢离子溶液,溶液呈碱性,溶液的pH增大,故答案为:
增大;
(5)铁是活泼金属,电解池工作时,阳极上铁失电子发生氧化反应,氢氧根离子失电子发生氧化反应,所以发生的电极反应式为:
Fe-6e-+8OH-═FeO42-+4H2O和4OH--4e-═2H2O+O2↑,故答案为Fe-6e-+8OH-═FeO42-+4H2O;4OH--4e-═2H2O+O2↑;
(6)X电极上析出的是氢气,Y电极上析出的是氧气,且Y电极失电子进入溶液,设铁质量减少为xg,根据转移电子数相等有:
×2=
×4+
×6,x=0.28,故答案为0.28g;
(7)正极上高铁酸根离子得电子发生还原反应,反应方程式为2FeO42-+6e-+5H2O═Fe2O3+10OH-,故答案为2FeO42-+6e-+5H2O═Fe2O3+10OH-。
点睛:
本题考查了原电池和电解池原理,注意:
电解池中如果活泼金属作阳极,则电解池工作时阳极材料失电子发生氧化反应,为易错点。
5.高铁酸盐(如K2FeO4)是一种高效绿色氧化剂,可用于饮用水和生活用水的处理。
从环境保护的角度看,制备高铁酸盐较好的方法为电化学法。
(1)电化学法制备高铁酸钠采用铁片作阳极,NaOH溶液作为电解质溶液,其电流效率可达到40%。
写出阳极产生高铁酸钠的电极反应方程式:
____________。
(2)铁丝网电极是更理想的阳极材料,相同条件下,可将电流效率提高至70%以上,原因是__________。
研究亦发现,铁电极在某一电压范围内会产生氧气使阳极表面生成Fe2O3膜而“钝化”。
写出产生O2的电极反应方程式:
__________。
(3)FeO42—易与水4h生成絮状氢氧化铁,也会影响高铁酸盐的产率。
若以铁丝网为阳极,在中间环节(对应图中4h后)过滤掉氢氧化铁,反应过程中FeO42—浓度以及电流效率随时间的变化如图1中实线所示(图中曲线是每隔1h测得的数据)。
图中虚线部分对应于没有过滤氢氧化铁而连续电解的情况。
下列判断正确的是___(填编号)
①过滤:
掉氢氧化铁有利于获得较高浓度的高铁酸盐溶液
②过滤掉氢氧化铁对电流效率影响不大
③实验表明不过滤掉氢氧化铁,6h后电流效率几乎为0
(4)在相同的pH条件下,经过相同的反应时间,高铁酸盐的产率与温度关系如图2。
随温度升高,高铁酸盐产率先增大后减小的原因是__________。
(5)人们还对用铁的氧化物作电极制备高铁酸盐进行了研究,例如以磁铁矿多孔电极制备高铁酸盐,该研究方向的价值有__________(至少答一点)。
【答案】Fe-6e-+8OH-═FeO42-+4H2O铁丝网比铁片接触面积更大4OH--4e-═O2↑+2H2O①③温度升高加快了高铁酸盐的生成速率,另一方面,温度升高加快了高铁酸盐与水反应,10℃~20℃时生成为主要因素,20℃以后分解为主要因素。
以磁铁矿多孔电极制备高铁酸盐消耗电能少;以铁的氧化物为电极,可以实现变废为宝;以磁铁矿作为多孔电极,不会发生钝化现象等合理答案。
【解析】
【分析】
(1)已知反应物和生成物,书写方程式时要根据原子守恒和电荷守恒;
(2)接触面积越大,电流越大;阳极铁失去电子,氢氧根也可能失去电子生成氧气;
(3)比较实线和虚线对应的坐标即可得出答案;
(4)产率增大说明生成速率增大,减小则说明分解速率增大;
(5)从耗能、环保、提高反应速率等角度解析。
【详解】
(1)铁失去电子,在碱性溶液中生成高铁酸根离子,同时有水生成,故阳极产生高铁酸钠的电极反应方程式为:
Fe-6e-+8OH-═FeO42-+4H2O;
(2)铁丝网比铁片接触面积更大,电流效率更高,阳极铁失去电子,氢氧根也可能失去电子生成氧气,再与铁反应生成氧化铁,铁电极上发生析氧反应4OH--4e-═O2↑+2H2O;
(3)由图可知,4h后若没有过滤氢氧化铁,高铁酸根离子浓度及电流效率均降低,①C正确,②错误;虚线所示,6h后电流效率几乎为0,③正确,故选①③;
(4)高铁酸盐产率增高说明温度升高加快了高铁酸盐的生成速率,产率降低说明温度升高加快了高铁酸盐与水反应,10℃~20℃时生成为主要因素,20℃以后分解为主要因素;
(5)以磁铁矿多孔电极制备高铁酸盐,该研究方向的价值有:
以磁铁矿多孔电极制备高铁酸盐消耗电能少;以铁的氧化物为电极,可以实现变废为宝;以磁铁矿作为多孔电极,不会发生钝化现象等。
6.
(1)工业上制取氯酸钠采用在热的石灰乳中通入氯气,然后结晶除去氯化钙后,再加入适量的(填试剂化学式),过滤后即可得到。
(2)实验室制取氯酸钠可通过如下反应:
3C12+6NaOH
5NaC1+NaC1O3+3H2O先往-5℃的NaOH溶液中通入适量C12,然后将溶液加热,溶液中主要阴离子浓度随温度的变化如右图表1所示,图中C表示的离子是。
(填离子符号)
(3)某企业采用无隔膜电解饱和食盐水法生产氯酸钠。
则阳极反应式为:
。
(4)样品中C1O3-的含量可用滴定法进行测定,步骤如下:
步骤1:
准确称取样品ag(约2.20g),经溶解、定容等步骤准确配制1000mL溶液。
步骤2:
从上述容量瓶中取出10.00mL溶液于锥形瓶中,准确加入25mL1.000mol/L(NH4)2Fe(SO4)2溶液(过量),再加入75mL硫酸和磷酸配成的混酸,静置10min。
步骤3:
再在锥形瓶中加入100mL蒸馏水及某种指示剂,用0.0200mol/LK2Cr2O7标准溶液滴定至终点,记录消耗消耗K2Cr2O7标准溶液的体积。
步骤4:
为精确测定样品中C1O3-的质量分数,重复上述步骤2、3操作2-3次。
步骤5:
数据处理与计算。
①步骤2中反应的离子方程式为;
静置10min的目的是。
②步骤3中K2Cr2O7标准溶液应盛放在(填仪器名称)中。
③用0.0200mol/LK2Cr2O7标准溶液滴定的目的是。
在上述操作无误的情况下,所测定的结果偏高,其可能的原因是。
【答案】
(1)Na2CO3
(2)ClO-(3)Cl--6e-+6OH-=C1O3-+3H2O(4)①ClO3-+6Fe2++6H+=Cl-+6Fe3++3H2O;使溶液中C1O3-与Fe2+反应充分完全②酸式滴定管③计算步骤
消耗的(NH4)2Fe(SO4)2的量(其他合理答案也给分)
溶液中的Fe2+被空气中的氧气氧化
【解析】
试题分析:
(1)石灰乳与氯气反应生成氯化钙和氯酸钙,除去氯化钙后,可加入碳酸钠溶液,以生成碳酸钙沉淀,以此得到氯化钠;
(2)氯气与氢氧化钠反应低温时生成NaClO,温度高时生成NaClO3,-5℃时生成ClO-;(3)采用无隔膜电解饱和食盐水法生产氯酸钠,同时生成H2,其反应的方程式为:
NaCl+3H2O
NaClO3+3H2↑,阳极发生氧化反应,反应式为Cl--6e-+6OH-=C1O3-+3H2O;(4)①酸性条件下亚铁离子被ClO3-氧化未铁离子,自身被还原为氯离子,其反应的离子方程式为:
ClO3-+6Fe2++6H+=Cl-+6Fe3++3H2O;静止10min可以使亚铁离子和次氯酸根离子充分反应;②K2Cr2O7溶液具有强氧化性,能腐蚀碱式滴定管的橡胶管,所以改用酸式滴定管盛放;③步骤2中的(NH4)2Fe(SO4)2没有反应完,用K2Cr2O7溶液滴定步骤2的溶液是为了测得未反应完全的亚铁离子,所以是为了测为反应完全的硫酸亚铁铵的量;
亚铁离子容易被空气中的氧气氧化,测得结果偏高的原因为溶液中的Fe2+被空气中的氧气氧化。
考点:
探究物质的组成及测定物质的含量
7.
(一)如图所示,甲、乙是电化学实验装置,请回答下列问题:
若甲、乙两个烧杯中均盛放饱和NaCl溶液。
①甲中石墨棒上的电极反应式是_________________________________
②乙中总反应的离子方程式为___________________________________
若乙中含有0.10mol·L-1NaCl溶液400mL,当阳极产生的气体为560mL(标准状况下)时,溶液的pH=_____________(2分)(假设溶液体积变化忽略不计),转移电子的个数为____________
(二)肼一空气燃料电池是一种碱性电池,无污染,能量高,有广泛的应用前景。
其工作原理如上图所示,回答下列问题:
①该燃料电池中正极通入的物质是__________;
负极发生的反应式为:
__________________________
②电池工作时,OH-移向极________(“a”或“b”)
③当电池放电转移5mol电子时,至少消耗燃料肼________g
(三)全钒液流电池的结构如图所示,其电解液中含有钒的不同价态的离子、H+和SO42﹣.电池放电时,负极的电极反应为:
V2+﹣e﹣=V3+.
①电池放电时的总反应方程式为___________________________
充电时,电极M应接电源的_________极
②若电池初始时左、右两槽内均以VOSO4和H2SO4的混合液为电解液,使用前需先充电激活,充电过程阴极区的反应分两步完成:
第一步VO2+转化为V3+;第二步V3+转化为V2+.则第一步反应过程中阴极区溶液n(H+)_________
_(填“增大”、“不变”或“减小”)(1分),阳极的电极反应式为_________________________
【答案】
(一)
(1)①O2+4e-+2H2O===4OH-
②2Cl-+
2H2O
Cl2↑+2OH-+H2↑
③13;3.612×1022或0.
06NA
(二)①空气或氧气N2H4+4OH--4e-=4H2O+N2↑②a③40
(三)①VO2++2H++V2+=VO2++H2O+V3+正
②减小VO2++H2O﹣e﹣=VO2++2H+
【解析】
试题分析:
(一)
(1)①甲装置为原电池,石墨作正极,O2放电,电极反应为:
O2+2H2O+4e-=4OH-;②乙装置为电解池,Fe是阴极,不参与反应,总反应的离子方程式为:
2Cl-+
2H2O
Cl2↑+2OH-+H2↑;③阳极生成0.025mol的气体,其中先是氯离子失电子,0.04mol氯离子失去0.04mol电子,生成0.02mol的氯气,另外的0.005mol气体是氢氧根离子失电子生成的氧气,可知0.02mol氢氧根失去0.02mol电子,共失去0.06mol电子,同时在阴极氢离子得电子0.06mol电子,刚好反应0.06mol氢离子,也就是留下了0.04mol氢氧根离子,氢离子浓度为0.04/0.4=0.1mol/L.pH为13;转移电子的个数为3.612×1022或0.
06NA;
(二)①在肼(N2H4)燃料电池中,通入燃料气体N2H4为负极,通入空气或氧气的一极为正极;在原电池中,阴离子向负极移动,在碱性电解质中失去电子生成氮气和水,电极反应为N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O;②电池工作时,OH-移向负极,即a极;③当电池放电转移5mol电子时,消耗燃料肼1.25mol,质量为40g;
(三)①左槽的电极反应式为VO2++2H++e-=VO2++H2O,为原电池的正极,总反应方程式为VO2++2H++V2+=VO2++H2O+V3+;充电时,电极M应接电源的正极;②第一步VO2+转化为V3+的方程式为:
VO2++4H++2e‾=V3++2H2O,消耗了H+,所以阴极区溶液n(H+)减小;阳极上VO2+失电子生成VO2+,电极方程式为:
VO2++H2O﹣e﹣=VO2++2H+。
考点:
原电池,电解池原理
8.高铁酸钾(K2FeO4)是一种集氧化、吸附、速凝于一体的新型多功能水处理剂。
其生产流程如下:
(1)配制KOH溶液时,是在每100mL水中溶解61.6gKOH固体(该溶液的密度为1.47g/mL),它的物质的量浓度是mol/L。
(2)在溶液I中加入KOH固体的目的是(填编号)。
A.与溶液I中过量的Cl2继续反应,生成更多的K
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