高中化学化学电源新型电池试题

如图是一种可充电的锂离子电池充、放电的工作示意图。该电池的反应式为：
LiMnO₂ ＋ C₆Li_1－x MnO₂ ＋Li_xC₆（Li_xC₆表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料）下列有关说法正确的是

A．K与N相接时，A极为负极，该电极反应式为：LixC6 － xeˉ＝ C6 ＋ xLi^+

B．在整个充电或放电过程中都只存在一种形式的能量转化

C．K与N相接时，Li^＋由A极区迁移到B极区

D．K与M相接时，A极发生氧化反应，LiMnO2 －xeˉ ＝ Li1－xMnO2 ＋ xLi^+

如图所示是一个燃料电池的示意图，当此燃料电池工作时，下列分析中正确的是

A．如果a极通入H2，b极通入O2，NaOH溶液作电解质溶液，则通H2的电极上发生的反应为：H2－2e^－＝2H^＋

B．如果a极通入H2，b极通入O2，H2SO4溶液作电解质溶液，则通 O2的电极上发生的反应为：O2＋4e^－＋2H2O＝4OH^－

C．如果a极通入CH4，b极通入O2，NaOH作电解质溶液，则通CH4的电极上发生的 反应为：CH4－8e^－＋10 OH^－＝CO3^2-＋7H2O

D．如果a极通入H2，b极通入O2，NaOH溶液作电解质溶液，则溶液中的OH^－离子向b极附近移动

运用化学反应原理研究碳、氮、硫等单质及其化合物的反应有重要意义；
（1）甲醇是重要的可再生燃料。已知在常温常压下：

则甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为_________。
（2）利用催化氧化反应将转化为是工业上生产硫酸的关键步骤．
①一定条件下，将SO₂与O₂以体积比2:1置于一体积不变的密闭容器中发生上述反应，能说明该反应已达到平衡状态的是________。
a．体系的密度不发生变化
b．体系中硫元素的质量百分含量不再变化
c．SO₂与SO₃的体积比保持不变
d．容器内的气体分子总数不再变化
e．单位时问内转移4 mol电子，同时消耗2molSO₃
②T℃时，在1L密闭容器中充入0.6 molSO₃，下图表示SO₃物质的量随时间的变化曲线。达到平衡时，用SO₂表示的化学反应速率为________；SO₃的转化率为________（保留小数点后-位）：T℃时，反应的平衡常数为_______;T℃其他条件不变，在8min时压缩容器体积至0.5 L，则n(SO₃)的变化曲线为________（填字母）。

（3）有人设想以N₂和H₂为反应物，以溶有A物质的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图所示。

电池正极的电极反应式是_____电解质溶液的pH______（填写增大、减小、不变），A.物质是______（写化学式）。

(14分)甲醇作为基本的有机化工产品和环保动力燃料具有广阔的应用前景，CO₂加氢合成甲醇是合理利用CO₂的有效途径。由CO₂制备甲醇过程可能涉及反应如下：
反应Ⅰ：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g) +H₂O(g)   △H ₁=－49.58kJ•mol^-1
反应Ⅱ：CO₂(g)+H₂(g)CO(g)+H₂O(g)     △H₂
反应Ⅲ：CO(g)+2 H₂(g)CH₃OH(g)         △H ₃=－90.77 kJ•mol^-1
回答下列问题：
（1）反应Ⅱ的△H₂=         ，反应I自发进行条件是        （填“较低温”、“较高温”或“任何温度”）。
（2）在一定条件下3L恒容密闭容器中,充入一定量的H₂和CO₂仅发生反应Ⅰ，实验测得反应物在不同起始投入量下，反应体系中CO₂的平衡转化率与温度的关系曲线，如图1所示。

①H₂和CO₂的起始的投入量以A和B两种方式投入
A：n(H₂)=3mol，n(CO₂)=1.5mol
B：n(H₂)=3mol，n(CO₂)=2mol，曲线I代表哪种投入方式     （用A、B表示）
②在温度为500K的条件下，按照A方式充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min时达到平衡：
a．此温度下的平衡常数为      ；500K时，若在此容器中开始充入0.3molH₂和0.9mol CO₂、0.6molCH₃OH、ｘmolH₂O，若使反应在开始时正向进行，则ｘ应满足的条件是
b．在此条件下，系统中CH₃OH的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示，当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，请在图2中画出3～10min内容器中CH₃OH浓度的变化趋势曲线。
（3）固体氧化物燃料电池是一种新型的燃料电池，它是以固体氧化锆、氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O ^2-）在其间通过，该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极均不参与电极反应，下图是甲醇燃料电池的模型。

①出该燃料电池的负极反应式        
②如果用该电池作为电解装置，当有16g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量最多为       （法拉第常数为9.65×10⁴C·mol^-1）

Ⅰ.工业上可用煤制天然气，生产过程中有多种途径生成CH₄。写出CO₂与H₂反应生成 CH₄和H₂O的热化学方程式                     。
已知：① CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)      ΔH＝－41kJ·mol^－1
② C(s)+2H₂(g)CH₄(g)            ΔH＝－73kJ·mol^－1
③ 2CO(g)C(s)+CO₂(g)          ΔH＝－171kJ·mol^－1
Ⅱ.电子产品产生的大量电子垃圾对环境构成了极大的威胁。某化学兴趣小组将一批废弃的线路板简单处理后，得到含Cu、Al、Fe及少量Au、Pt等金属的混合物，并设计出如下制备硫酸铜和硫酸铝晶体的路线：

按要求回答下列问题：
（1）滤渣1中存在的金属有____________。
（2）已知沉淀物的pH如下表：

	氢氧化物开始沉淀时的pH	氢氧化物沉淀完全时的pH
Fe^2+	7.0	9.0
Fe^3+	1.9	3.7
Cu^2+	4.9	6.7
Al^3+	3.0	4.4

①则操作②中X物质最好选用的是___________（填编号）
a．酸性高锰酸钾溶液          b．漂白粉          c．氯气         d．双氧水
②理论上应控制溶液pH的范围是________________________。
（3）用一个离子方程式表示在酸浸液中加入适量铝粉的反应：________________         
（4）由CuSO₄·5H₂O制备CuSO₄时，应把CuSO₄·5H₂O放在       （填仪器名称）中加热脱水。
（5）现在某些电器中使用的高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn + 2K₂FeO₄ + 8H₂O3Zn（OH）₂ + 2Fe（OH）₃ + 4KOH，
该电池放电时负极反应式为                           ，每有1mol K₂FeO₄被还原，转移电子的物质的量为        ，充电时阳极反应式为                                。

金属及其化合物在国民经济发展中起着重要作用。
（1）工业上以黄铜矿为原料，采用火法熔炼工艺生产铜。该工艺的中间过程会发生反应：2Cu₂O+ Cu₂S=6Cu+SO₂
该反应的氧化剂是_________,当生成19.2gCu时，反应中转移的电子为_____mol。铜在潮湿的空气中能发生吸氧腐蚀而生成（碱式碳酸同）。该过程负极的电极反应式_______________。
（2）钠硫电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠（分别作为两个电极的反应物，固体陶瓷（可传导）为电解质，其原理如图所示：

①根据下表数据，请你判断该电池工作的适宜温度应控制在_______。

②放电时，电极A为____极，S发生_______反应。
③放电时，内电路中的的移动方向为_______（填“从A到B”或“从B到A”）。
④充电时，总反应为Na所在电极与直流电源_______极相连，阳极的电极反应式为________.

“低碳循环”已引起各国家的高度重视，而如何降低大气中CO₂的含量和有效地开发利用CO₂正成为化学家研究的主要课题。
Ⅰ．用电弧法合成的储氢纳米碳管常伴有大量的碳纳米颗粒（杂质），这种颗粒可用如下氧化法提纯，请完成该反应的化学方程式：
C+      KMnO₄+       H₂SO₄→    _CO₂↑+      MnSO₄ +      K₂SO₄+      H₂O
Ⅱ．工业上利用天然气（主要成分为CH₄）与CO₂进行高温重整制备CO（同时产生H₂），CO和水蒸气在一定条件下发生反应也能制取氢气：CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)     △H＝－41 kJ/mol
某小组研究在相同温度下该反应过程中的能量变化。他们分别在体积均为V L的两个恒温恒容密闭容器中加入一定量的反应物，使其在相同温度下发生反应。相关数据如下：

容器编号	起始时各物质物质的量/mol				达到平衡的时间	达平衡时体系能量的变化/kJ
	CO	H2O	CO2	H2
①	1	4	0	0	t1 min	放出热量：32.8 kJ
②	2	8	0	0	t2 min	放出热量：Q

（1）容器①中反应达平衡时，CO的转化率为                  。
（2）计算容器②中反应的平衡常数K=                    。
（3）下列叙述正确的是               （填字母序号）。
a．平衡时，两容器中H₂的体积分数相等
b．容器②中反应达平衡状态时，Q =" 65.6" kJ
c．反应开始时，两容器中反应的化学反应速率相等
d．容器①中，反应的化学反应速率为：
e．平衡时，容器中的转化率：① < ②
Ⅲ．工业上利用用CO₂来生产燃料甲醇的反应原理：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g),某些化学键的键能数据如下表：

则该热化学反应方程式为                                             。
Ⅳ．将CH₃OH设计成燃料电池，其利用率更高，下图是利用甲醇燃料电池进行某种电化学反应的示意图。

①写出该燃料电池的负极电极方程式                            。
②若A、B是石墨电极，X为NaCl溶液，当A极产生22.4L气体(标况下)，则理论上消耗CH₃OH     克。
③若乙池要实现铁上镀铜，则A电极选择                   。

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，除去浮渣层，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，可向污水中加入适量的            。
a．BaSO₄   b．CH₃CH₂OH   c．Na₂SO₄   d．NaOH
（2）电解池阳极发生了两个电极反应，其中一个反应生成一种无色气体，则阳极的电极反应式分别是
①．______________________；②．                 。
（3）电极反应①和②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，稀土金属材料作电极。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____________________。

“洁净煤技术”研究在世界上相当普遍，科研人员通过向地下煤层气化炉中交替鼓入空气和水蒸气的方法，连续产出了高热值的煤炭气，其主要成分是CO和H₂。CO和H₂可作为能源和化工原料，应用十分广泛．生产煤炭气的反应之一是：C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)  H=+131.4kJ/mol
（1）在容积为3L的密闭容器中发生上述反应，5min后容器内气体的密度增大了0.12g/L，用H₂O表示0～5min的平均反应速率为______________。
（2）关于上述反应在化学平衡状态时的描述正确的是___________．
A．CO的含量保持不变
B．v_正(H₂O)=v_正(H₂)
C．容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
（3）若上述反应在t₀时刻达到平衡(如图)，在t₁时刻改变某一条件，请在图中继续画出t₁时刻之后正反应速率随时间的变化：

①缩小容器体积，t₂时到达平衡（用实线表示）；
②t₃时平衡常数K值变大，t₄到达平衡（用虚线表示）．
（4）在一定条件下用CO和H₂可以制得甲醇，CH₃OH和CO的燃烧热分别为725.8kJ/mol，283.0kJ/mol，1molH₂O(l)变为H₂O(g)吸收44.0 kJ的热量，写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和气态水的热化学方程式_______________________
（5）如下图所示，以甲醇燃料电池作为电源实现下列电解过程．乙池中发生反应的离子方程式为_____________。当甲池中增重16g时，丙池中理论上产生沉淀质量的最大值为_________g。

酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是碳粉，MnO₂，ZnCl₂和NH₄Cl等组成的糊状填充物，该电池在放电过程产生MnOOH，回收处理该废电池可得到多种化工原料，有关数据下表所示：
溶解度/(g/100g水)

温度/℃ 化合物	0	20	40	60	80	100
NH4Cl	29.3	37.2	45.8	55.3	65.6	77.3
ZnCl2	343	395	452	488	541	614

 

化合物	Zn(OH)2	Fe(OH)2	Fe(OH)3
Ksp近似值	10^-17	10^-17	10^-39

回答下列问题：
（1）该电池的正极反应式为                  ，电池反应的离子方程式为：             
（2）用废电池的锌皮制备ZnSO₄·7H₂O的过程中，需去除少量杂质铁，其方法是：加稀硫酸和H₂O₂溶解，铁变为_____，加碱调节至pH为        时，铁刚好完全沉淀（离子浓度小于1×10^-5mol/L时，即可认为该离子沉淀完全）；继续加碱调节至pH为_____时，锌开始沉淀（假定Zn^2＋浓度为0.1mol/L）。若上述过程不加H₂O₂后果是                         ，原因是                       。

汽车尾气作为空气污染的主要来源之一，其中含有大量的有害物质，包括CO、NO_x、碳氢化合物和固体悬浮颗粒等。对汽车尾气的治理使环境工作者面临了巨大的挑战。试回答下列问题：
（1）用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染。已知：
①CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
则由CH₄将NO₂完成还原成N₂，生成CO₂和水蒸气的热化学方程式是____________________；
（2）NO_x也可被NaOH溶液吸收而生成NaNO₃、NaNO₂，已知某温度下，HNO₂的电离常数K_a=9.7×10^-4mol•L^-1，NO₂^-的水解常数为K_h=8.0×10^-10mol•L^-1，则该温度下水的离子积常数=______（用含Ka、Kh的代数式表示），此时溶液的温度______25℃（“＞”、“＜”、“=”）。
（3）化工上利用CO合成甲醇，反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）△H=-90.8KJ•mol^-1。不同温度下，CO的平衡转化率如右图所示：图中T₁、T₂、T₃的高低顺序是________，理由是______。

（4）化工上还可以利用CH₃OH生成CH₃OCH₃。在体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生反应：2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)。

容器编号	温度（℃）	起始物质的量（mol）	平衡物质的量（mol）
CH3OH	CH3OCH3	H2O
Ⅰ	387	0.20	0.080	0．080
Ⅱ	207	0.20	0.090	0.090

该反应的正反应为________反应（填“吸热”、“放热”），若起始是向容器Ⅰ中充入CH₃OH0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol和H₂O0.10mol，则反应将向_____方向进行（填“正”、“逆”）。
（5）CH₃OH燃料电池在便携式通讯设备、汽车等领域有着广泛的应用。已知电池工作时的总反应方程式为：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，电池工作时的示意图如右图所示：

质子穿过交换膜移向_____电极区（填“M”、“N”），负极的电极反应式为________。

碳、氮及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用。请回答下列问题：
（1）用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染。例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）＋CO₂（g）+2H₂O（g）ΔH₁＝－574kJ·molˉ¹
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）＋CO₂（g）+2H₂O（g） ΔH₂
若2molCH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为1734kJ，则ΔH₂＝              ；
（2）据报道，科学家在一定条件下利用Fe₂O₃与甲烷反应可制取“纳米级”的金属铁。其反应为：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）  ΔH>0
①若反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少3．2g。则该段时间内CO的平均反应速率为________________。
②若该反应在恒温恒压容器中进行，能表明该反应达到平衡状态的是____________
a．CH₄的转化率等于CO的产率
b．混合气体的平均相对分子质量不变
c．v（CO）与v（H₂）的比值不变
d．固体的总质量不变
③该反应达到平衡时某物理量随温度变化如图所示，当温度由T₁升高到T₂时，平衡常数K_A            K_B（填“>”、“<”或“=”）。纵坐标可以表示的物理量有哪些                。

a．H₂的逆反应速率
b．CH₄的的体积分数
c．混合气体的平均相对分子质量
d．CO的体积分数
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率。下图是利用甲烷燃料电池电解50ml2mol/L的氯化铜溶液的装置示意图：

请回答：
①甲烷燃料电池的负极反应式是：__________________________。
②当A中消耗0．05mol氧气时，B中________________极（填“a”或“b”）增重________________g。
（4）工业合成氨气需要的反应条件非常高且产量低，而一些科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实现氨的电化学合成，从而大大提高了氮气和氢气的转化率。电化学合成氨过程的总反应式为：N₂＋3H₂2NH₃，该过程中还原反应的方程式为                      。

目前“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题。请回答下列问题：
I．甲烷自热重整是一种先进的制氢方法，其反应方程式为：
CH₄(g) + H₂O(g) CO(g) + 3H₂(g)
（1）阅读下图，计算该反应的反应热ΔH = __________kJ/mol。

II．用CH₄或其他有机物、O₂为原料可设计成燃料电池。
（2）以C_nH_2nO_n、O₂为原料，H₂SO₄溶液为电解质设计成燃料电池，则负极的电极反应式为______________________________________________________________________。
（3）以CH₄、O₂为原料，100 mL 0.15 mol/L NaOH溶液为电解质设计成燃料电池，若放电时参与反应的氧气体积为448 mL（标准状况），产生的气体全部被溶液吸收，则所得溶液中溶质的成分及物质的量之比为____________________，各离子浓度由大到小的顺序为______________________________。
III．利用I₂O₅消除CO污染的反应为：5CO(g) + I₂O₅(s) 5CO₂(g) + I₂(s)，不同温度下，向装有足量I₂O₅固体的2L恒容密闭容器中通入4 mol CO，测得CO₂的体积分数随时间t变化曲线如图。请回答：

（4）T₂时，0 ~ 0.5 min内的反应速率v(CO) = ____________________。
（5）T₁时化学平衡常数K = ____________________。
（6）下列说法不正确的是___________（填字母序号）。

A．容器内气体密度不变，表明反应达到平衡状态

B．两种温度下，c点时体系中混合气体的压强相等

C．d点时，增大体系压强，CO的转化率不变

D．b点和d点时化学平衡常数的大小关系：Kb < Kd

(14分)I．CH₄和CO₂可以制造价值更高的化学产品。已知：
CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)    △H₁="a" kJ／mol
CO(g)+H₂O(g)=CO₂(g)+H₂(g)       △H₂="b" kJ／mol
2CO(g)+O₂(g) =2CO₂(g)            △H₃="c" kJ／mol
（1）求反应CH₄(g)+CO₂(g) =2CO(g)+2H₂(g)  △H=      kJ／mol(用含a、b、c的代数式表示)。
（2）一定条件下，等物质的量的(1)中反应生成的气体可合成二甲醚(CH₃OCH₃)，同时还产生了一种可参与大气循环的无机化合物，该反应的化学方程式为         。
（3）用Cu₂Al₂O₄做催化剂，一定条件下发生反应：CO₂(g)+CH₄(g) =CH₃COOH(g)，温度与催化剂的催化效率和乙酸的生成速率的关系如图，回答下列问题：

①250～300℃时，乙酸的生成速率降低的原因是            。
②300～400℃时，乙酸的生成速率升高的原因是           。
Ⅱ．钠硫电池以熔融金属Na、熔融S和多硫化钠(Na₂S_X)分别作为两个电极的反应物，多孔固体Al₂O₃陶瓷(可传导Na⁺)为电解质，其反应原理如下图所示：
Na₂S_X 2Na+xS (3<x<5)
   
（4）根据上表数据，判断该电池工作的适宜温度应为    (填字母序号)。
A．100℃以下      B．100℃～300℃
C．300℃～350℃   D．350℃～2050℃
（5）关于钠硫电池，下列说法正确的是    (填字母序号)。
A．放电时，电极A为负极          
B．放电时，Na⁺的移动方向为从B到A
C．充电时，电极A应连接电源的正极
D．充电时电极B的电极反应式为S_X^2--2e^-=xS
（6）25℃时，若用钠硫电池作为电源电解500mL 0．2mol／L NaCl溶液，当溶液的pH变为l3时，电路中通过的电子的物质的量为   mol，两极的反应物的质量差为     g。(假设电解前两极的反应物的质量相等)

(14分)氮、磷及其化合物在科研及生产中均有着重要的应用。
（1）某课外学习小组欲制备少量NO气体，写出铁粉与足量稀硝酸反应制备NO的离子方程式：      。
（2）LiFePO₄是一种新型动力锂电池的电极材料。
①下图为某LiFePO₄电池充、放电时正极局部放大示意图，写出该电池放电时正极反应方程式：      。

②将LiOH、FePO₄·2H₂O（米白色固体）与还原剂葡萄糖按一定计量数混合，在N₂中高温焙烧可制得锂电池正极材料LiFePO₄。焙烧过程中N₂的作用是      ；实验室中以Fe³⁺为原料制得的FePO₄·2H₂O有时显红褐色，FePO₄·2H₂O中混有的杂质可能为      。
（3）磷及部分重要化合物的相互转化如图所示。

①步骤Ⅰ为白磷的工业生产方法之一，反应在1300℃的高温炉中进行，其中SiO₂的作用是用于造渣（CaSiO₃），焦炭的作用是      。
②不慎将白磷沾到皮肤上，可用0.2mol/L CuSO₄溶液冲洗，根据步骤Ⅱ可判断，1mol CuSO₄所能氧化的白磷的物质的量为      。
③步骤Ⅲ中，反应物的比例不同可获得不同的产物，除Ca₃(PO₄)₂外可能的产物还有      。