高中化学化学电源新型电池试题

开发新能源、新材料是实现社会可持续发展的需要。请回答下列问题：
（1）下图是2LiBH₄/MgH₂体系放氢焓变示意图。

则：Mg（s）＋2B（s）=MgB₂（s）  ΔH＝        。
（2）采用球磨法制备Al与LiBH₄的复合材料，并对Al－LiBH₄体系与水反应产氢的特性进行下列研究：25℃水浴时，每克不同配比的Al－LiBH₄复合材料与水反应产生H₂体积随时间变化关系如图所示。下列说法正确的是       （填字母）。

A．25℃时，纯铝与水不反应
B．25℃时，纯LiBH₄与水反应产生氢气
C．25℃时，Al－LiBH₄复合材料中LiBH₄含量越高，1000s内产生氢气的体积越大
（3）工业上可采用CO和H₂合成再生能源甲醇，其反应的化学方程式为
CO（g）＋2H₂（g）CH₃OH（g）。
①在一容积可变的密闭容器中，充有10 mol CO和20 mol H₂，用于合成甲醇。
CO的平衡转化率（α）与温度（T）、压强（P）的关系如图所示：
上述合成甲醇的反应为    反应（填“放热”或“吸热”）。平衡常数K_A、K_B、K_C的大小关系为     。若达到平衡状态A时容器的体积为10 L，则平衡状态B时容器的体积为     L。

②图中虚线为该反应在使用催化剂条件下，起始H₂、CO投料比和CO平衡转化率的关系图。当其他条件完全相同时，用实线画出不使用催化剂情况下，起始H₂、CO投料比和CO平衡转化率的关系示意图。

（4）己知参与电极反应的电极材料单位质量放出电能的大小称为该电池的比能量。关于二甲醚（CH₃OCH₃）碱性燃料电池与乙醇碱性燃料电池，下列说法正确的是     （填字母）。
A．两种燃料互为同分异构体，分子式和摩尔质量相同，比能量相同
B．两种燃料所含共价键数目相同，断键时所需能量相同，比能量相同
C．两种燃料所含共价键类型不同，断键时所需能量不同，比能量不同
（5）LiFePO₄与Li_1－xFePO₄作为磷酸亚铁锂电池电极材料，充放电过程中，发生LiFePO₄与Li_1-xFePO₄之间的转化，电池放电时负极发生的反应为Li_xC₆-xe^-═xLi⁺+6C，写出电池放电时反应的化学方程式                    。

(共16分)Ⅰ.CO和H₂作为重要的燃料和化工原料，有着十分广泛的应用。
（1）已知：C(s)+O₂(g)=CO₂(g)         △H₁= -393．5 kJ·mol^-1
C(s)+H₂O(g)= CO(g)+H₂(g)     △H₂= +131．3 kJ·mol^-1
则反应CO(g)+H₂(g)+O₂(g)=H₂O(g)+CO₂(g)△H=           kJ·mol^-1。
（2）利用反应CO(g) +H₂(g)+O₂(g) = CO₂(g) +H₂O(g)设计而成的MCFS燃料电池是用水煤气（CO和H₂物质的量之比为1:1）作负极燃气，空气与CO₂的混合气为正极助燃气，用一定比例的Li₂CO₃和Na₂CO₃低熔点混合物做电解质的一种新型电池。现以该燃料电池为电源，以石墨作电极电解饱和NaCl溶液，反应装置以及现象如图所示。则有：

①燃料电池即电源的N极的电极反应式为 _______________________ ；
②已知饱和食盐水的体积为1 L，一段时间后，测得左侧试管中气体体积为11．2 mL(标准状况)，若电解前后溶液的体积变化忽略不计，而且电解后将溶液混合均匀，则此时溶液的pH为                。
Ⅱ.CO和NO是汽车尾气的主要污染物。消除汽车尾气的反应式之一为：
2NO(g)+2CO(g)N₂(g)+2CO₂(g)。请回答下列问题：
（3）一定温度下，在一体积为VL的密闭容器中充人一定量的NO和CO时，反应进行到t时刻时达到平衡状态，此时n(CO)=amol、n(N0)=2amol、n(N₂)=bmol，且N₂占平衡混合气体总体积的1/4。
①该反应的平衡常数K=              （用只含a、V的式子表示）
②判断该反应达到平衡的标志是____（填序号）
A．v(CO₂)_生成=v(CO)_消耗
B．混合气体的平均相对分子质量不再改变
C．混合气体的密度不再改变    
D．NO、CO、N₂、CO₂的物质的量浓度均不再变化
（4）在一定温度下，将2.0molNO、2.4molCO通入固定容积2L的密闭中，反应过程中部分物质的物质的量变化如图所示，则：

①有害气体NO的转化率是      ，0～15minCO₂的平均反应速率v(CO₂)=____（保留小数点后三位）
②20min时，若改变反应条件，导致CO浓度减小，则改变的条件是    。（填序号）。
A．增加CO的量     B．加入催化剂
C．减小CO₂的量     D．扩大容器体积

(14分)天然气是一种重要的清洁能源和化工原料，其主要成分为甲烷｡下图为以天然气为原料制备化工产品的工艺流程｡

（1）CH₄的VSEPR模型为      
（2）一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并能使氨水再生，写出氨水再生时的化学反应方程式      
（3）水煤气合成二甲醚的三步反应如下：
①2H₂(g)+CO(g)CH₃OH(g)；ΔH="-90.8" kJ·mol^-1
②2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)；ΔH=-23.5kJ·mol^-1
③CO(g)+H₂O(g)CO₂(g) + H₂(g)；ΔH="-41.3" kJ·mol^-1
则催化反应Ⅱ室的热化学方程式为      
（4）在一定条件下，反应室Ⅲ(容积为VL)中充入amolCO与2amolH_{2 ，}在催化剂作用下反应生成甲醇：
CO(g) +2H₂(g)CH₃OH(g)，CO的平衡转化率与温度､压强的关系如图所示，则：①P₁       P₂(填“<”､“=”或“>”)。

②在其它条件不变的情况下，反应室Ⅲ再增加a mol CO与2a mol H₂，达到新平衡时，CO的转化率      (填“增大”､“减小”或“不变”)。
③在P₁压强下，100℃时，反应：CH₃OH(g)CO(g)+2H₂(g)的平衡常数为     (用含a､V的代数式表示)｡
（5）科学家用氮化镓材料与铜组装如图的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO₂和H₂O合成CH₄｡铜电极表面的电极反应式      

(13分)（1）在恒容绝热(不与外界交换能量)条件下进行2A(g)+B(g)2C(g)+D(s) △H₁＜0反应，按下表数据投料，反应达到平衡状态，测得体系压强升高。

①该反应的平衡常数表达式为K＝___。升高温度，平衡常数将____(填“增大”“减小”或“不变”)。
②能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是________。
A．容器中压强不变      
B．混合气体的密度不变
C．υ(A):υ(B):υ(C)＝2:1:2    
D．c(A)＝c(C)
（2）为研究不同条件对反应2NO(g)+Cl₂(g)2C1NO(g)  △H₂＜0的影响，在恒温条件下，向2 L恒容密闭容器中加入0.2 mol NO和0.1 mol C1₂，10 min时反应达到平衡。测得NO的转化率为。其他条件保持不变，反应在恒压条件下进行，平衡时NO的转化率为，则__________，(填“大于”“小于”或“等于”)。
（3）甲醇(CH₃OH)是重要的能源物质，研究甲醇具有重要意义。为提高甲醇燃料的利用率，科学家发明了一种燃料电池，电池的一个电极通入空气，另一个电极通入甲醇气体，电解质是掺入了Y₂O₃的ZrO₂晶体，在高温下它能传导O^2—离子。电池工作时负极反应式为_________________。用该燃料电池作电源，以石墨为电极电解足量的硫酸铜溶液，当电路中通过0.1 mol电子时，若要使溶液恢复到起始浓度(温度不变，忽略溶液体积的变化)，可向溶液中加入_____(填物质名称)，其质量约为_______g。

“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。
（1）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应CO（g）＋H₂O（g）CO₂（g）＋H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度℃	起始量/mol	平衡量/mol	达到平衡所需 时间/min
CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1．6	2．4	6
2	900	2	1	0．4	1．6	3
3	900	a	b	c	d	t

①实验2条件下平衡常数K＝           。
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气，则a/b 的值_______（填具体值或取值范围）。
③实验4，若900℃时，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为1mol，则此时V_正    V_逆（填“＜”，“＞”，“＝”）。
（2）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（l）＋3O₂（g） ＝ 2CO₂（g） ＋ 4H₂O（g）   ΔH＝－1275．6 kJ/mol
②2CO（g）+ O₂（g） ＝ 2CO₂（g）   ΔH＝－566．0 kJ/mol
③H₂O（g）＝ H₂O（l）   ΔH＝－44．0 kJ/mol
写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式：____________
（3）已知草酸是一种二元弱酸，草酸氢钠（NaHC₂O₄）溶液显酸性。常温下，向10 mL 0．01 mol·L^-1 H₂C₂O₄溶液中滴加10mL 0．01mol·L^-1 NaOH溶液时，比较溶液中各种离子浓度的大小关系     ；
（4）CO₂在自然界循环时可与CaCO₃反应，CaCO₃是一种难溶物质，其Ksp＝2．8×10^-9。CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合可形成CaCO₃沉淀，现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L ，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为       ________mol/L。
（5）以二甲醚（CH₃OCH₃）、空气、H₂SO₄为原料，铂为电极可构成燃料电池，其工作原理与甲烷燃料电池的原理相似。请写出该电池负极上的电极反应式：         。

(14分)氮的氢化物NH₃、N₂H₄等在工农业生产、航空航天等领域有广泛应用。
（1）液氨作为一种潜在的清洁汽车燃料已越来越被研究人员重视。它在安全性、价格等方面较化石燃料和氢燃料有着较大的优势。氨的燃烧实验涉及下列两个相关的反应：
①4NH₃(g)＋5O₂(g)＝4NO(g)＋6H₂O(l)   H₁
②4NH₃(g)＋6NO(g)＝5N₂(g)＋6H₂O(l)   H₂
则反应4NH₃(g)＋3O₂(g)＝2N₂(g)＋6H₂O(l)  H＝      。(请用含有H₁、H₂的式子表示)
（2）合成氨实验中，在体积为3 L的恒容密闭容器中，投入4 mol N₂和9 mol H₂在一定条件下合成氨，平衡时仅改变温度测得的数据如下表所示：

温度(K)	平衡时NH3的物质的量(mol)
T1	2.4
T2	2.0

已知：破坏1 mol N₂(g)和3 mol H₂(g)中的化学键消耗的总能量小于破坏2 mol NH₃(g)中的化学键消耗的能量。
①则T₁      T₂(填“＞”、“＜”或“=”)
②在T₂ K下，经过10min达到化学平衡状态，则0~10min内H₂的平均速率v(H₂)=      ，平衡时N₂的转化率α(N₂)=      。
③下列图像分别代表焓变(H)、混合气体平均相对分子质量()、N₂体积分数φ(N₂)和气体密度(ρ)与反应时间的关系，其中正确且能表明该可逆反应达到平衡状态的是      。

（3）某N₂H₄(肼或联氨)燃料电池(产生稳定、无污染的物质)原理如图1所示。

①M区发生的电极反应式为      。
②用上述电池做电源，用图2装置电解饱和氯化钾溶液(电极均为惰性电极)，设饱和氯化钾溶液体积为500 mL，当溶液的pH值变为13时(在常温下测定)，若该燃料电池的能量利用率为80%，则需消耗N₂H₄的质量
为      g(假设溶液电解前后体积不变)。

用酸性氢氧燃料电池（甲池）为电源进行电解的实验装置（乙池，一定条件下可实现有机物的电化学储氢）如下图所示．甲池中C为含苯的物质的量分数为10%的混合气体，D为l0mol混合气体其中苯的物质的量分数为24%（杂质不参与反应），E为标准状况下2． 8mol气体（忽略水蒸汽），下列说法正确的是

A．甲池中A处通入H2，E处有O2放出

B．甲池中H^+由F极移向G极

C．乙池中阴极区只有苯被还原

D．导线中共传导11.2mol电子

甲醇是一种新型的汽车动力燃料，工业上可通过CO和H₂化合来制备甲醇：
CO (g)＋2H₂ (g)CH₃OH (g)
（1）在容积固定为2 L的密闭容器内充入1 mol CO和2 mol H₂，加入 催化剂后在250 ℃开始反应，
CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。容器中M、N两点气体的物质的量之比为           。M、N、Q三点的平衡常数K_M、K_N、K_Q的大小关系为             。

（2）通过压力计监测上述容器内压强的变化如下：

反应时间/min	0	5	10	15	20	25
压强/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

则从反应开始到20min时，以CO表示的平均反应速率为           ，该温度下平衡常数K＝     。
（3）下列描述中能说明上述反应已达平衡状态的是          。
A．2v(H₂)_正＝v(CH₃OH)_逆
B．容器内气体的平均摩尔质量保持不变
C．容器中气体的压强保持不变
D．单位时间内生成n mol CO的同时生成2n mol H₂
（4）25℃时以甲醇燃料电池（电解质溶液为稀硫酸）为电源电解300 mL NaCl溶液，正极反应式为      。在电解一段时间后，NaCl溶液的pH变为13（假设NaCl溶液的体积不变），则理论上消耗甲醇的物质的量为__________。

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：

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________.

【改编】磷酸铁锂电池的电池的内部结构如图所示。左边是磷酸铁锂材料作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li⁺可以通过而电子不能通过，右边是由石墨组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。电池的总反应为：


下列关于电池的说法不正确的

A．磷酸铁锂电池放电时，锂离子从负极中脱离出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中

B．放电时负极反应：LixC6－xe^－="=" 6C＋xLi^+(LixC6表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料)

C．充电时的阳极反应：LiFePO4 －xe^－="=" Li1－xFePO4＋xLi^+

D．若用该电池电解精炼粗铜，阳极质量减少12.8g 时，则电池中通过聚合物隔膜的Li^+数为0.4NA

【改编】用酸性氢氧燃料电池电解硫酸钠饱和溶液的装置如图所示(a、b为铜电极)。下列说法中不正确的是

A．电池工作时，正极反应式为：O2 + 4H^＋+ 4e^－= 2H2O

B．电解时，当阴极逸出a mol气体，同时有W克Na2SO4•10H2O 析出，保持温度不变，剩余溶液中的硫酸钠的质量分数是

C．电解时，电子流动路径是：负极→外电路→阴极→溶液→阳极→正极

D．忽略能量损耗，当电池中消耗0.01g O2 时，b 极周围会产生0.02g H2

N₂和H₂为反应物，以溶有A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，装置如下图所示，下列说法不正确的是

A．通入N2的电极发生的电极反应式为：N2 + 6e^-+ 8H^+="=" 2NH4^+

B．反应过程中溶液的pH会变大，故需要加入盐酸

C．该电池外电路电流从通入H2的电极流向通入N2的电极

D．通入H2的电极为负极，A为NH4Cl

硼及其化合物在耐髙温合金工业、催化剂制造、髙能燃料等方面应用广泛。
（1）氮化硼是一种耐高温材料，巳知相关反应的热化学方程式如下：
2B(s)+N₂(g)=" 2BN(s)" ΔH="a" kJ • mol^-1
B₂H₆ (g)="2B(s)" + 3H₂ (g) ΔH ="b" kJ • mol^-1
N₂ (g) + 3H₂ (g) 2NH₃ (g)   ΔH ="c" kJ• mol^-1
①反应B₂H₆(g)+2NH₃(g)="2BN(s)" +6H₂(g)  ΔH =           (用含a、b、c 的代数式表示)kJ ·mol^-1。
②B₂H₆是一种髙能燃料，写出其与Cl₂反应生成两种氯化物的化学方程式：               。
（2）硼的一些化合物的独特性质日益受到人们的关注。
①最近美国化学家杰西·萨巴蒂尼发现由碳化硼制作的绿色焰火比传统焰火（硝酸钡）更安全，碳化硼中硼的质量分数为78. 6%，则碳化硼的化学式为                                。
②近年来人们将LiBH₄和LiNH₂球磨化合可形成新的化合物 Li₃BN₂H₈和Li₄BN₃ H₁₀，Li₃BN₂H₈球磨是按物质的量之比n(LiNH₂) : n(LiBH₄) =" 2" : 1加热球磨形成的，反应过程中的X衍射图谱如图所示。

Li₃BN₂H₈在大于250℃时分解的化学方程式为                                         ，Li₃BN₂H₈与Li₄BN₃H₁₀的物质的量相同时，充分分解，放出等量的H₂，Li₄BN₃ H₁₀分解时还会产生固体Li₂NH和另一种气体，该气体是       。
（3）直接硼氢化物燃料电池的原理如图，负极的电极反应式为                                。电池总反应的离子方程式为                                                。

(15分)二甲醚（DME）被誉为“21世纪的清洁燃料”。由合成气制备二甲醚的主要原理如下：
①CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)         △H ₁=－90.7 kJ·mol^-1
②2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)     △H ₂=－23.5 kJ·mol^-1
③CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)      △H ₃=－41.2kJ·mol^-1
回答下列问题：
（1）则反应3H₂(g)＋3CO(g)CH₃OCH₃(g)＋CO₂(g)的△H＝        kJ·mol^-1。
（2）下列措施中，能提高CH₃OCH₃产率的有                  。
A．使用过量的CO       B．升高温度      C．增大压强
（3）反应③能提高CH₃OCH₃的产率，原因是                  。
（4）将合成气以n(H₂)/n(CO)=2通入1L的反应器中，一定条件下发生反应：
4H₂(g)+2CO(g) CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)△H，其CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图1所示，下列说法正确的是                  。
A．△H<0
B．P₁<P₂<P₃
C．若在P₃和316℃时，起始n(H₂)/n(CO)=3，则达到平衡时，CO转化率小于50％
（5）采用一种新型的催化剂（主要成分是Cu-Mn的合金），利用CO和H₂制备二甲醚。观察图2回答问题。催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为              时最有利于二甲醚的合成。
（6）图3为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图，a电极的电极反应式为               。

（7）甲醇液相脱水法制二甲醚的原理是：CH₃OH +H₂SO₄→CH₃HSO₄+H₂O，
CH₃HSO₄+CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂SO₄。与合成气制备二甲醚比较，该工艺的优点是反应温度低，转化率高，其缺点是                  。

【原创】(12分)已知 X、Y、Z、W是原子序数依次增大的四种短周期元素，Y元素形成的化合物种类最多；W原子有2个未成对电子。X、Y、W三种元素组成的一种化合物M是新装修居室中常含有的一种有害气体。Q是第四周期元素，最外层只有一个电子，其余各层电子均充满。
请回答下列问题(用元素符号或化学式表示)：
（1）元素Y、Z、W的基态原子的第一电离能由大到小的顺序为                    。
（2）M分子中Y原子轨道的杂化类型为                     。
（3）Q⁺的核外电子排布式为                 ，下图是由W、Q形成的某种化合物的晶胞结构示意图，该晶体的化学式              。（黑球代表Q原子）

（4）化合物ZX₃的沸点比化合物YX₄的高，其主要原因是                            。
（5）Z₂X₄在碱性溶液中能够将QW还原为Q₂W，已知当1mol Z₂X₄完全参加反应时转移了4 mol电子，则该反应的化学方程式可表示为：              。
（6）一种处理汽车尾气中ZW、YW₂的方法是在催化剂作用下使两者反应成无污染的气态。已知反应生成1gZ的单质时放出4.3kJ热量。此反应的热化学方程式为                     。
（7）微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置．最早用于有机废水处理，下图是利用微生物燃料电池处理含M废水的装置，其中3是质子交换膜．负极所在的左室中发生反应的电极反应式是                                              。