高中化学化学电源新型电池实验题

燃料电池具有广阔的发展前途，科学家近年研制出一种微型的燃料电池，采用甲醇取代氢气做燃料可以简化电池设计，该电池有望取代传统电池。某学生在实验室利用碱性甲醇燃料电池电解Na₂SO₄溶液。

请根据图示回答下列问题：　_w
（1）图中a电极是            （填“正极”、“负极”、“阴极”或“阳极”）。该电极上发生的电极反应式为         。
（2）碱性条件下，通入甲醇的一极发生的电极反应式为                              。
（3）当消耗3.36 L氧气时（已折合为标准状况），理论上电解Na₂SO₄溶液生成气体的总物质的量
是      　mol。
（4）25℃、101kPa时，燃烧16g甲醇生成CO₂和H₂O(l)，放出的热量为363.26　kJ，写出甲醇燃烧的热化学方程式：      。

按要求对下图中两极进行必要的连接并填空：

（1）在A图中，使铜片上冒H₂气泡。请加以必要连接，
则连接后的装置叫               。
电极反应式：锌板：      _______________；
铜板：          ___________
（2）在B图中，（a和b均为惰性电极）
使a极析出铜，请加以必要的连接后，该装置叫               。
电极反应式，a极：              ；b极：       　　      。
在经过一段时间后，停止反应并搅均溶液，溶液的pH        （升高、降低、不变），加入一定量的     　　　　    后，溶液能恢复至与电解前完全一致。

某课外活动小组用如图装置进行实验，试回答下列问题。

（1）若开始时开关K与a连接，则B极的电极反应式为                     。
（2）若开始时开关K与b连接，则B极的电极反应式为                     ，
总反应的离子方程式为                                    。
有关上述（2）实验，下列说法正确的是(填序号)          。
①溶液中Na⁺向A极移动
②从A极处逸出的气体能使湿润的KI淀粉试纸变蓝
③反应一段时间后加适量盐酸可恢复到电解前电解质的浓度
④若标准状况下B极产生2.24 L气体，则溶液中转移0.2 mol电子
（3）该小组同学认为，如果模拟工业上离子交换膜法制烧碱的方法，那么可以设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钾。

①该电解槽的阳极反应式为                            。
此时通过阴离子交换膜的离子数        (填“大于”、“小于”或“等于”)通过阳离子交换膜的离子数。
②若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池，则电池正极的电极反应式为                 。

2004年美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，它用磺酸类质子溶剂，在200^oC左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更安全。电池总反应为：C₂H₅OH +3O₂ =2CO₂ +3H₂O，电池示意如图：

（1）_________极（填a或b）为电池的负极，电池工作时电流方向为______________；
（2）写出电池正极反应方程式___________________；
（3）电池工作时，1mol乙醇被氧化时就有________mol电子转移。

近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：   

（1）Deacon发明的直接氧化法为： $4HCl\left(g\right)+O_2\left(g\right)=2C{l}_2\left(g\right)+2H_{2}O\left(g\right)$ 。下图为刚性容器中，进料浓度比 c(HCl) ∶ $c\left(O_2\right)$ 分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系：

可知反应平衡常数 K（300℃）________ K（400℃）（填"大于"或"小于"）。设HCl初始浓度为 $c_0$ ， 根据进料浓度比 c(HCl)∶ c(O ₂)=1∶1的数据计算 K（400℃）=________（列出计算式）。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比 c(HCl)∶ $c\left(O_2\right)$ 过低、过高的不利影响分别是________。

（2）Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：

$CuC{l}_2\left(s\right)=CuCl\left(s\right)+\frac{1}{2} C{l}_2\left(g\right)$  Δ $H_1=83kJ·mol{ }^{-1}$

$CuCl\left(s\right)+\frac{1}{2}{O}_2\left(g\right)=CuO\left(s\right)+\frac{1}{2}C{l}_2\left(g\right)$  Δ $H_2=-20kJ·mol{ }^{-1}$

$CuO\left(s\right)+2HCl\left(g\right)=CuC{l}_2\left(s\right)+H_{2}O\left(g\right)$     Δ $H_3=-121kJ·mol{ }^{-1}$

则 $4HCl\left(g\right)+O_2\left(g\right)=2C{l}_2\left(g\right)+2H_{2}O\left(g\right)$ 的   Δ H=________ $kJ·mol{ }^{-1}$ 。

（3）在一定温度的条件下，进一步提高HCl的转化率的方法是________。（写出2种）   

（4）在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如下图所示：

负极区发生的反应有________（写反应方程式）。电路中转移1 mol电子，需消耗氧气________L（标准状况）

如图所示，用甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型燃料电池做电源，对A、B装置通电一段时间后，发现有1.6g甲醇参加反应且③电极增重（假设工作时无能量损失）。

请回答下列问题：
（1）分别指出F电极、②电极的名称              、            。
（2）④电极的反应式：              。E电极的反应式：               。
①电极上产生的实验现象是              。
（3）若A池中原混合液的体积为500 mL，CuSO₄、K₂SO₄浓度均为0.1 mol/L，电解过程中A池中共收集到标准状况下的气体          L。

某课外活动小组同学用右图装置进行相关的实验，试回答下列问题。

（1）若开始时开关K与a连接，则A极的电极反应式为          。
（2）若开始时开关K与b连接，则总反应的离子方程式为                        。在该实验中，下列说法正确的是（填序号）      。
①溶液中Na⁺向A极移动
②从A极处逸出的气体能使湿润KI淀粉试纸变蓝
③反应一段时间后（设NaCl足量）加适量盐酸可恢复到电解前电解质的浓度
④若标准状况下B极产生2.24 L气体，则有0.2 mol电子转移
（3）事实证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是           。
A．C(s) + H₂O(g) =" CO(g)" + H₂(g)  △H > 0
B．NaOH(aq) + HC1(aq) =" NaC1(aq)" + H₂O(1)  △H < 0
C．2H₂(g) + O₂(g) = 2H₂O(1)  △H<0
（4）电解原理在化学工业中有着广泛的应用。右图中，a为电解液，X和Y是两块电极板，回答下列问题：

（4）①若X和Y均为惰性电极，a为CuSO₄溶液，则电解时的化学反应方程式为             。通过一段时间后，向所得溶液中加入8g CuO粉末，恰好恢复电解前的浓度和pH，则电解过程中转移的电子的物质的量为           。
②若X、Y分别为铁和铜，a仍为CuSO₄溶液，则Y极的电极反应式为           。

是银锌碱性电池的正极活性物质，可通过下列方法制备：在加入适量 溶液,生成沉淀，保持反应温度为80，边搅拌边将一定量溶液缓慢加到上述混合物中，反应完全后，过滤、洗剂、真空干燥得到固体样品。反应方程式为
+回答下列问题：
（1）上述制备过程中，检验洗剂是否完全的方法是.
(2)银锌碱性电池的电解质溶液为溶液，电池放电时正极的 转化为，负极的转化为，写出该电池反应方程式：.
(3)准确称取上述制备的样品（设仅含和）2.558，在一定的条件下完全分解为和，得到224.0（标准状况下）。计算样品中的质量分数（计算结果精确到小数点后两位）。

镍电池广泛应用于混合动力汽车系统，电极材料由Ni(OH)₂、碳粉、氧化铁等涂覆在铝箔上制成。由于电池使用后电极材料对环境有危害。某兴趣小组对该电池电极材料进行资源回收研究，设计实验流程如下：

已知：①NiCl₂易溶于水，Fe^3＋不能氧化Ni^2＋。
②已知实验温度时的溶解度：NiC₂O₄＞NiC₂O₄·H₂O＞NiC₂O₄·2H₂O
③某温度下一些金属氢氧化物的K_sp及沉淀析出的理论pH如下表所示：

M(OH)n	Ksp
pH
开始沉淀	沉淀完全
Al(OH)3	1.9×10^－23	3.4	4.2
Fe(OH)3	3.8×10^－38	2.5	2.9
Ni(OH)2	1.6×10^－14	7.6	9.8

回答下列问题：
(1) 用NiO调节溶液的pH，依次析出沉淀Ⅰ________和沉淀Ⅱ__________(填化学式)。
(2) 写出加入Na₂C₂O₄溶液的反应的化学方程式：　。
(3) 检验电解滤液时阳极产生的气体的方法：　。
(4) 写出“氧化”反应的离子方程式：　。
(5) 如何检验Ni(OH)₃已洗涤干净？　。

锂离子电池的广泛应用使回收利用锂资源成为重要课题：某研究性学习小组对废旧锂离子电池正极材料（LiMn₂O₄、碳粉等涂覆在铝箔上）进行资源回收研究，设计实验流程如下：

（1）第②步反应得到的沉淀X的化学式为        。
（2）第③步反应的离子方程式是                               。
（3）第④步反应后，过滤Li₂CO₃所需的玻璃仪器有                           。
若过滤时发现滤液中有少量浑浊，从实验操作的角度给出两种可能的原因：
                               、                               。
（4）若废旧锂离子电池正极材料含LiMn₂O₄的质量为18.1 g，第③步反应中加入20.0mL 2.5mol·L^-1的H₂SO₄溶液。正极材料中的锂经反应③和④完全转化为Li₂CO₃，至少有       g Na₂CO₃参加了反应。

高铁酸钾（K₂FeO₄）具有高效的消毒作用，为一种新型非氯高效消毒剂。电解法制备高铁酸钾操作简便，成功率高，易于实验室制备。其原理如下图所示。

I. 实验过程中，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。查阅资料发现，高铁酸根（FeO₄^2－）在溶液中呈紫红色。
（1）电解过程中，X极是   极，电极反应是                  。
（2）电解过程中，Y极放电的有                              。
（3）生成高铁酸根（FeO₄^2－）的电极反应是                     。
II. 若用不同种电池作为上述实验的电源，请分析电池反应。
（1）铅蓄电池总的化学方程式为：
2H₂O＋2PbSO₄ Pb＋PbO₂＋2H₂SO₄，则它在充电时的阳极反应为
                                                           。
（2）镍镉碱性充电电池在放电时，其两极的电极反应如下：
正极：2NiOOH＋2H₂O＋2e^－＝2Ni（OH）₂＋2OH^－
负极：Cd＋2OH^－－2e^－＝Cd（OH）₂
则它在放电时的总反应的化学方程式为                  。
（3）肼（N₂H₄）是一种可燃性液体，可用作火箭燃料。已知在25℃、101kPa时，32.0g N₂H₄在氧气中完全燃烧生成氮气和液态水，放出624kJ的热量，则N₂H₄完全燃烧的热化学方程式是                                     ；
肼—空气燃料电池是一种碱性燃料电池，电解质溶液是20%~30%的KOH溶液，放电时负极的电极反应是                              。
（4）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐，电池总反应方程式为：C₃H₈＋5O₂＝3CO₂＋4H₂O。
写出该电池正极的电极反应：                              。
（5）当制备相同物质的量的高铁酸钾时，理论上，上述四种电池中分别消耗的Pb、Cd、肼、丙烷的物质的量之比是                       。

I、二氧化硫是重要的工业原料，探究其制备方法和性质具有非常重要的意义。

（1）工业上用黄铁矿（FeS₂，其中S元素为－l价）在高温下和氧气反应制备SO₂：
，该反应中被氧化的元素是________（填元素符号）。
（2）一化学研究性学习小组设计用如下装置验证二氧化硫的化学性质．
①能说明二氧化硫具有氧化性的实验现象为________________________________。
②为验证二氧化硫的还原性，充分反应后，取试管b中的溶液分成三份，分别进行如下实验：
方案Ⅰ：向第一份溶液中加入AgNO3溶液，有白色沉淀生成
方案Ⅱ：向第二份溶液加入品红溶液，红色褪去
方案Ⅲ：向第三份溶液加入BaC!：溶液，产生白色沉淀上述方案合理的是方案______（填“Ⅰ”、“Ⅱ”或“Ⅲ”）；试管b中发生反应的离子反应方程式为____________________。
③当通入二氧化硫至试管c中溶液显中性时，溶液中c（Na⁺）＝________________（用含硫元素微粒浓度的代数式表示）。
Ⅱ、另一化学研究性学习小组在实验室条件下以硫酸铜溶液为电解液，用电解的方法实现了粗铜的提纯，并对阳极泥和电解液中金属进行回收和含量测定。已知粗铜中含有少量的锌、铁、银、金等金属和少量矿物杂质（与酸不反应）。
步骤一：电解精制：
电解时，粗铜应与电源的______极相连。阴极上的电极反应式为____________。
步骤二：电解完成后，该小组同学按以下流程对电解液进行处理：

稀硝酸处理阳极泥得到硝酸银稀溶液，请写出该反应的离子方程式：
____________________________________________________________。

某课外活动小组同学用右图装置进行实验，试回答下列问题。

（1）若开始时开关K与a连接，则A极的电极反应式
为                           。
（2）若开始时开关K与b连接，则总反应的离子方程式为                。
有关上述实验，下列说法正确的是（填序号）           。
①溶液中Na⁺向A极移动
②从A极处逸出的气体能使湿润KI淀粉试纸变蓝
③反应一段时间后（设NaCl足量）加适量盐酸可恢复到电解前电解质的浓度
④若标准状况下B极产生2.24 L气体，则有0.2 mol电子转移
（3）该小组同学模拟工业上用离子交换膜法制烧碱的方法，那么可以设想用如右图装置电解硫酸钾溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钾。

①该电解槽的阳极反应式为       。此时通过阴离子交换膜的离子数
     （填“大于”或“小于”或“等于”）通过阳离子交换膜的离子数。
②制得的氢氧化钾溶液从出口（填写“A”、 “D”）       导出。
③若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池，则电池负极的电极反应式为                      。

某经济开发区将钛冶炼厂与氯碱厂、甲醇厂组成了一个产业链（如图所示），大大地提高了资源利用率，减少了环境污染。

请填写下列空白：
（1）写出钛铁矿经氯化得到四氯化钛的化学方程式：            ▲          。
（2）由CO和H₂合成甲醇的方程式是：CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)。
①已知该反应在300℃时的化学平衡常数为0.27，该温度下将2 mol CO、3 mol H₂和2 mol CH₃OH充入容积为2 L的密闭容器中，此时反应将  ▲  （填“向正反应方向进行”、“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”）。
②若不考虑生产过程中物质的任何损失，该产业链中每合成19.2 t甲醇，至少需额外补充H₂       ▲       t。
（3）用甲醇—空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜（右图），

在接通电路一段时间后纯Cu质量增加3.2 g。
①请写出燃料电池中的负极反应式：        ▲       。
②燃料电池正极消耗空气的体积是     ▲   （标准状况，
空气中O₂体积分数以20%计算）。

(16分)氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定，

请回答：
（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是　              　，在导线中电子流动方向为　　      　（用a、b 表示）。
（2）负极反应式为　　　　　         　　　。
（3）电极表面镀铂粉的原因为　　　        　　
（4）该电池工作时，H₂和O₂连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：
Ⅰ.2Li+H₂="2LiH         " Ⅱ.LiH+H₂O==LiOH+H₂↑
①反应Ⅰ中的还原剂是　　　　　，反应Ⅱ中的氧化剂是　　　　　。
②已知LiH固体密度为0.82g/cm³。用锂吸收224L（标准状况）H₂，生成的LiH体积与被吸收的H₂体积比为　　　　　　　　。
③由②生成的LiH与H₂O作用放出的H₂用作电池燃料，若能量转化率为80％，则导线中通过电子的物质的量为　　   　　　mol。