高中化学常见气体制备原理及装置选择简答题

某NiO的废料中有FeO、CuO、Al₂O₃、MgO、SiO₂等杂质，用此废料提取NiSO₄和Ni的流程如下：

已知：有关金属离子生成氢氧化物沉淀所需的pH如下表：

（1）滤渣1的主要成分为               。
（2）从滤液2中获得NiSO₄.6H₂O的实验操作          、             、过滤、洗涤、干燥。
（3）用离子方程式解释加入H₂O₂的作用                    。
（4）加NiO调节溶液的pH至5，则生成沉淀的离子方程式有                      。
（5）电解浓缩后的滤液2可获得金属镍，其基本反应原理如图：

①A电极反应式为                      和2H⁺+2e^- =H₂↑。
②若一段时间后，在A、B两极均收集到11.2L气体(标准状况下)，能得到Ni          g。

【化学——选修化学与技术】明矾石经处理后得到明矾[ KAl（SO₄）₂·12H₂O]。从明矾制备Al、K₂SO₄和H₂SO₄的工艺过程如下所示：

焙烧明矾的化学方程式为：4KAl（SO₄）₂·12H₂O+3S＝2K₂SO₄ +2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O
请回答下列问题：
（1）在焙烧明矾的反应中，还原剂是              ；
（2）从水浸后的滤液中得到K₂SO₄晶体的方法是         ；
（3）A1₂O₃在一定条件下可制得AIN，其晶体结构如图所示，该晶体中Al的配位数是      ；

（4）以Al和NiO（OH）为电极，NaOH溶液为电解液组成一种新型电池，放电时NiO（OH）转化为Ni（OH）₂，该电池反应的化学方程式是         ；
（5）焙烧产生的SO₂可用于制硫酸。已知25℃、101 kPa时：
2SO₂（g） +O₂（g）2SO₃（g）         △H₁= 一197 kJ/mol；
2H₂O （g）＝2H₂O（1）                   △H₂＝一44 kJ/mol；
2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）＝2H₂SO₄（l）     △H₃＝一545 kJ/mol。
则SO₃（g）与H₂O（l）反应的热化学方程式是           ；
（6）焙烧948吨明矾（M＝474g/mol ），若SO₂的利用率为96%，可生产质量分数为98％的硫酸    吨。

铝是地壳中含量最多的金属元素，其单质和化合物广泛应用于日常生活中。
（1）铝粉和铁的氧化物（FeO·Fe₂O₃）可配成铝热剂用于焊接钢轨，反应的化学方程式是            。
（2）NaOH溶液可以除去铝表面的氧化膜，在处理过程中常会产生H₂，产生H₂的离子方程式是          。
（3）工业上以铝土矿（Al₂O₃·H₂O）为原料生产铝，主要包括下列过程：
i．将粉粹、筛选后的铝土矿溶解在NaOH溶液中；
ii．加入过量的试剂A使所得溶液中析出Al（OH）₃固体；
iii．使Al（OH）₃脱水生成Al₂O₃；
iv．电解熔融Al₂O₃生成Al。
铝土矿粉粹的目的是               ，试剂A的化学式是         ，电解熔融Al₂O₃时，加入冰晶石，其作用是               。
（4）明矾化学式为KAl（SO₄）₂·12H₂O，向明矾溶液中加入Ba（OH）₂溶液，当溶液中的SO₄^2－恰好沉淀时，铝元素的存在形式是         。
（5）美国普度大学研究开发出一种利用铝镓（镓：Ga）合金制取氢气的新工艺（如下图所示）。

i．写出常温下铝镓合金产生氢气的化学方程式                。
ii．下列有关该工艺的说法正确的是         。

A．该过程中，能量的转化形式只有两种

B．铝镓合金可以循环使用

C．铝镓合金的熔点比金属铝低

D．该工艺可利用太阳能分解水

晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl₃：Si+3HClSiHCl₃+H₂
③SiHCl₃与过量H₂在1000℃～1100℃反应制得纯硅
已知SiHCl₃能与H₂O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：
（1）第①步制备粗硅的化学反应方程式为__________________。
（2）粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl₃（沸点33.0℃）中含有少量SiCl₄（沸点57.6℃）和HCl（沸点-84.7℃），提纯SiHCl₃采用的方法为________________。
（3）用SiHCl₃与过量H₂反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）：

①装置B中的试剂是______。装置C中的烧瓶需要水浴加热，其目的是_____。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是_______________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是_______________，装置D中发生反应的化学方程式为_____________。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及_________。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是____________。
a.碘水    
b．氯水      
c．NaOH溶液    
d．KSCN溶液     
e．Na₂SO₃溶液

水是重要的自然资源，与人类的发展密切相关。
（1）25℃时，水能按下列方式电离：
H₂O＋H₂OH₃O^＋＋OH^－  K₁＝1.0×10^－14
OH^－＋H₂OH₃O^＋＋O^2－  K₂＝1.0×10^－36
水中c(O^2－) ＝              mol·L^－1（填数值）。
（2）水广泛应用于化学反应。将干燥的碘粉与铝粉混合未见反应，滴加一滴水后升起紫色的碘蒸气，最后得到白色固体。有关该实验的解释合理的是        。

A．加水使碘和铝粉形成溶液	B．水作氧化剂
C．碘粉与铝粉反应是放热反应	D．水作催化剂

（3）铁酸铜（CuFe₂O₄）是很有前景的热化学循环分解水制氢的材料。
ⅰ.某课外小组制备铁酸铜（CuFe₂O₄）的流程如下：

搅拌Ⅰ所得溶液中Fe(NO₃)₃、Cu(NO₃)₂的物质的量浓度分别为2.6 mol·L^－1、 1.3 mol·L^－1。
①搅拌Ⅰ所得溶液中Fe元素的存在形式有Fe^3＋和            （填化学式）。
②搅拌Ⅱ要跟踪操作过程的pH变化。在滴加KOH溶液至pH＝4的过程中（假设溶液体积不变），小组同学绘制溶液中c(Fe^3＋)、c(Cu^2＋)随pH变化的曲线如下图，其中正确的是     （用“A”、“B”填空）。
（已知：K_sp[Fe(OH)₃]＝2.6×10^－39、K_sp[Cu(OH)₂]＝2.2×10^－20）

③操作Ⅲ为         、          。
ⅱ.在热化学循环分解水制氢的过程中，铁酸铜（CuFe₂O₄）先要煅烧成氧缺位体（CuFe₂O_4－a），氧缺位值（a）越大，活性越高，制氢越容易。
④氧缺位体与水反应制氢的化学方程式为                      。
⑤课外小组将铁酸铜样品在N₂的气氛中充分煅烧，得氧缺位体的质量为原质量的96.6%，则氧缺位值（a）＝     。

镁是海水中含量较多的金属，镁合金及其镁的化合物用途非常广泛。
（1）“镁-次氯酸盐”燃料电池的装置如下图所示：

该电池的正极反应式为                                  。
（2）Mg₂Ni是一种储氢合金，已知：
Mg(s) + H₂(g)MgH₂(s)            △H₁＝－74．5kJ·mol^－1
Mg₂Ni(s) + 2H₂(g)Mg₂NiH₄(s)      △H₂＝－64．4kJ·mol^－1
Mg₂Ni(s)+2MgH₂(s)2Mg(s)+Mg₂NiH₄(s)的△H₃＝          。
（3）一种用水氯镁石(主要成分为MgCl₂·6H₂O)制备金属镁工艺的关键流程如下：

①为探究MgCl₂•6H₂O“一段脱水”的合理温度范围，某科研小组将MgCl₂•6H₂O在不同温度下分解，测得残留固体物质的X-射线衍射谱图如下图所示(X-射线衍射可用于判断某晶态物质是否存在)。

测得E中Mg元素质量分数为60．0%，则E的化学式为       。
②若电解时电解槽中有水分，则生成的MgOHCl与阴极产生的Mg反应，使阴极表面产生MgO钝化膜，降低电解效率。生成MgO的化学方程式为                  。
（4）储氢材料Mg(AlH₄)₂在110~200°C的反应为：Mg(AlH₄)₂MgH₂ +2A1+3H₂↑每生成27gAl转移电子的物质的量为_______________。

工业制硫酸生产流程如下图：

已知：在450℃，常压下，2SO₂(g)+O₂(g)2SO₃(g)，ΔH＝－196 kJ·mol^－1。请回答：
（1）在催化反应室，下列措施中有利于提高SO₂平衡转化率的有            ；
A．升高温度        B．减少压强       C．不断补充空气       D．及时分离出SO₃
（2）在生产中，为提高催化剂效率可采取的措施为            ；
A．净化气体                                B．控制温度在400～500℃
C．增大催化剂与反应气体的接触面积          D．不断补充空气
（3）在450℃、常压和钒催化条件下向一密闭容器中充入2molSO₂和1molO₂，充分反应后，放出的热量______(填“<”、“>”或“=”)196kJ。
（4）经检测生产硫酸的原料气成分(体积分数)为SO₂7％、O₂11％、N₂82％。在500℃，0．1MPa条件下，现有100L原料气参加反应，达到平衡时，气体的总体积变为97．2L，则SO₂的转化率为          。

(15分)四川省钙芒硝矿(主要成分CaSO₄•Na₂SO₄)资源丰富。钙芒硝矿可生产具有广泛用途的芒硝(Na₂SO₄•10H₂O)和元明粉(Na₂SO₄)，其简要生产流程如下图所示。

请回答下列问题：
（1）浸取Na₂SO₄时，加入少量Na₂CO₃可使钙芒硝矿中的部分CaSO₄转化为CaCO₃，破坏钙芒硝矿结构，从而促进Na₂SO₄的浸取。CaSO₄能转化为CaCO₃的原因是_________________________。
（2）向Na₂SO₄的浸取液中加入适量烧碱和纯碱，Ca²⁺和Mg²⁺分别生成①________、②_________（填化学式）被过滤除去。
（3）根据下图溶解度曲线，可采用冷却结晶法从含少量NaCl的Na₂SO₄饱和溶液中制得芒硝的原因是___________________________________________________________________________。

（4）已知：25℃、101kPa时，
2C(s) + O₂(g) ="=" 2CO(g)    ΔH₁ = —222kJ/mol
4Na₂SO₃(s) ="=" 3Na₂SO₄(s) + Na₂S(s)    ΔH₂ = —122kJ/mol
2Na₂SO₃(s) + O₂(g) ="=" 2Na₂SO₄(s)    ΔH ₃= —572kJ/mol
元明粉经碳还原制备Na₂S的热化学方程式是__________________________________________________。
（5）如图，用惰性电极电解Na₂SO₄溶液，阳极区制得H₂SO₄溶液，阴极区制得NaOH溶液。其电解总反应的化学方程式是：______________________________。

（6）芒硝加热至70℃时，得到Na₂SO₄的饱和溶液(结晶水作溶剂，忽略加热过程中水的蒸发)和无水Na₂SO₄。若3220kg芒硝加热至70℃时，可析出元明粉(Na₂SO₄)的质量是________kg。

为了保护环境，充分利用资源，某研究小组通过如下简化流程，将工业制硫酸的硫铁矿烧渣（铁主要以存在）转变成重要的化工原料（反应条件略）。

活化硫铁矿还原的主要反应为：，不考虑其他反应。请回答下列问题：
（1）第Ⅰ步与反应的离子方程式是。
（2）检验第Ⅱ步中是否完全还原，应选择（填字母编号）。
A．溶液       B．溶液        C．溶液
（3）第Ⅲ步加调溶液到5.8左右，然后在第Ⅳ步通入空气使溶液降到5.2，此时不沉淀，滤液中铝、硅杂质除尽。通入空气引起溶液降低的原因是。
（4）可转化为，在空气中加热反应可制得铁系氧化物材料。
已知25℃，101时：            

                  

     

在空气中加热反应生成的热化学方程式是。
（5）在一定条件下可制得(二硫化亚铁)纳米材料。该材料可用于制造高容量锂电池，电池放电时的总反应为，正极反应式是。
（6）假如烧渣中的铁全部视为，其含量为50%。将质量分数为%的硫酸加入到烧渣中浸取，铁的浸取率为96%，其他杂质浸出消耗的硫酸以及调后溶液呈微酸性所残留的硫酸忽略不计。按上述流程，第Ⅲ步应加入。

(12分)软锰矿(主要成分MnO₂，杂质金属元素Fe、Al、Mg等)的水悬浊液与烟气中SO₂反应可制备MnSO₄·H₂O ，反应的化学方程式为：MnO₂＋SO₂=MnSO₄
（1）质量为17．40g纯净MnO₂最多能氧化_____L(标准状况)SO₂。
（2）已知：K_sp[Al(OH)₃]=1×10^－33，K_sp[Fe(OH)₃]=3×10^－39，pH=7．1时Mn(OH)₂开始沉淀。室温下，除去MnSO₄溶液中的Fe^3＋、Al^3＋(使其浓度小于1×10^－6mol·L^－1)，需调节溶液pH范围为________。
（3）下图可以看出，从MnSO₄和MgSO₄混合溶液中结晶MnSO₄·H₂O晶体，需控制结晶温度范围为_______。

（4）准确称取0．1710gMnSO₄·H₂O样品置于锥形瓶中，加入适量H₂PO₄和NH₄NO₃溶液，加热使Mn^2＋全部氧化成Mn^3＋，用c(Fe^2＋)=0．0500mol·L^－1的标准溶液滴定至终点(滴定过程中Mn^3＋被还原为Mn^2＋)，消耗Fe^2＋溶液20．00mL。计算MnSO₄·H₂O样品的纯度(请给出计算过程)

（一） 尿素又称碳酰胺，是含氮量最高的氮肥，工业上利用二氧化碳和氨气在一定条件下合成尿素。其反应分为如下两步：
第一步：2NH₃（l）＋CO₂（g）H₂NCOONH₄（氨基甲酸铵）（l）   △H₁= -330．0 kJ·mol^－1
第二步：H₂NCOONH₄（l）H₂O（l）＋H₂NCONH₂（l）  △H₂=" +" 226．3 kJ·mol^－1
某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0．5 m³ 密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分的物质的量随时间的变化如下图所示：

①已知总反应的快慢由慢的一步决定，则合成尿素总反应的快慢由第     步反应决定。
②反应进行到10 min时测得CO₂的物质的量如上图所示，则用CO₂表示的第一步反应的速率v（CO₂）＝   mol/（L·min）。
③当反应在一定条件下达到平衡，若在恒温、恒容下再充入一定量气体He，则CO（NH₂）₂（l）的质量_________（填“增加”、“减小”或“不变”）。
（二）氨是制备尿素的原料，NH₃、N₂H₄等在工农业生产、航空航天等领域有广泛应用。
氨气溶于水得到氨水，在25℃下，将amol/L的氨水与bmol/L的硫酸以3∶2体积比混合反应后溶液呈中性。用含a和b的代数式表示出氨水的电离平衡常数为_________。
（三）氢气是合成氨的原料。“氢能”将是未来最理想的新能源。
（1）在25℃,101KPa条件下，1 g氢气完全燃烧生成液态水时放出142．9kJ热量，则表示氢气燃烧热的热化学方程式为                                          。
（2）氢气通常用生产水煤气的方法制得。其中C（s）+ H₂O（g）CO（g）+H₂（g），在850℃时平衡常数K=1。若向1升的恒定密闭真空容器中同时加入x mol C和6．0mol H₂O。
①当加热到850℃反应达到平衡的标志有______________ 。

A．容器内的压强不变

B．消耗水蒸气的物质的量与生成CO的物质的量相等

C．混合气的密度不变

D．单位时间有n个H-O键断裂的同时有n个H-H键断裂

②x应满足的条件是                 。
（四）CO₂是合成尿素的原料，但水泥厂生产时却排放出大量的CO₂。华盛顿大学的研究人员研究出一种方法，可实现水泥生产时CO₂零排放，其基本原理如图所示：

（1）上述生产过程的能量转化方式是                                      。
（2）上述电解反应在温度小于900℃时进行碳酸钙先分解为CaO和CO₂，电解质为熔融碳酸钠，则阳极的电极反应式为        ，阴极的电极反应式为             。

已知氢氧化钙和钨酸钙（CaWO₄）都是微溶电解质，两者的溶解度均随温度升高而减小。在钨冶炼工艺中，将氢氧化钙加入钨酸钠碱性溶液中得到钨酸钙，发生反应
Ⅰ：WO₄^2－(aq) + Ca(OH)₂(s)  CaWO₄(s) + 2OH^－(aq)。
（1）下图为不同温度下Ca(OH)₂、CaWO₄的沉淀溶解平衡曲线。

①计算T₁时K_SP(CaWO₄)＝ ________。
②T₁________ T₂（填“>”“=”或“<”）。
（2）反应Ⅰ的平衡常数K理论值如下表：

温度/℃	25	50	90	100
K	79.96	208.06	222.88	258.05

①该反应平衡常数K的表达式为________。
②该反应的△H________0（填“>”“=”或“<”）。
③由于溶液中离子间的相互作用，实验测得的平衡常数与理论值相距甚远。50℃时，向一定体积的钨酸钠碱性溶液[c(Na₂WO₄) =" c(NaOH)" =" 0.5" mol·L^-1]中，加入过量Ca(OH)₂，反应达到平衡后WO₄^2—的沉淀率为60%，计算实验测得的平衡常数。
（3）制取钨酸钙时，适时向反应混合液中添加适量盐酸，分析其作用：________。

硫酸铅（PbSO₄）广泛应用于制造铅蓄电池、白色颜料等。利用方铅矿精矿（PbS）直接制备硫酸铅粉末的流程如下：

已知：（ⅰ）PbCl₂（s）+2Cl^－(aq) PbCl₄^2-(aq) △H＞0
（ⅱ）有关物质的Ksp和沉淀时的pH如下：

Ksp		开始沉淀时pH	完全沉淀时pH
PbSO4	1.08×10^-8	Fe (OH)3	2.7	3.7
PbCl2	1.6×10^-5	Pb(OH)2	6	7.04

（1）步骤Ⅰ中生成PbCl₂的离子方程式_______，加入盐酸控制pH值小于2，原因是_______。
（2）用化学平衡移动原理解释步骤Ⅱ中使用冰水浴的原因______。若原料中FeCl₃过量，则步骤Ⅱ得到的沉淀中还含有溶液中的悬浮杂质，溶液中的悬浮杂质被共同沉淀的原因是_______。
（3）写出步骤Ⅲ中PbCl₂晶体转化为PbSO₄沉淀的离子方程式______。
（4）请用离子方程式解释滤液2加入H₂O₂可循环利用的原因______。
（5）铅蓄电池的电解液是硫酸，充电后两个电极上沉积的PbSO₄分别转化为PbO₂和Pb，充电时阴极的电极反应式为_______。
（6）双隔膜电解池的结构示意简图如图所示，利用铅蓄电池电解硫酸钠溶液可以制取硫酸和氢氧化钠，并得到氢气和氧气。对该装置及其原理判断正确的是____。

A．A溶液为氢氧化钠，B溶液为硫酸
B．C₁极与铅蓄电池的PbO₂电极相接、C₂极与铅蓄电池的Pb电极相接
C．当C₁极产生标准状况下11.2 L气体时，铅蓄电池的负极增重49g
D．该电解反应的总方程式可以表示为：2Na₂SO₄＋6H₂O2H₂SO₄＋4NaOH＋O₂↑＋2H₂↑

(14分)甲醇是一种重要的化工原料，在生产中有着重要的应用。工业上用天然气为原料，分为两阶段制备甲醇：
（i）制备合成气：CH₄(g)+H₂O(g) CO(g)+3H₂(g) △H₁＝＋206.0kJ/mol
（ii）合成甲醇：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g) △H₂
请回答下列问题：
（1）制备合成气：将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O(g)通入反应室（容积为100L），在一定条件下发生反应（i）；CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。

①已知100℃时达到平衡的时间为5min，则从反应开始到平衡，用氢气表示的平均反应速率为：v(H₂) ＝  。
②图中p₁  p₂（填“＜”、”“＞”或“＝”）。
③为解决合成气中H₂过量而CO不足的问题，原料气中需添加CO₂，发生反应如下：
CO₂(g)+H₂(g)CO(g)+H₂O(g)，为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为  。
（2）合成甲醇：在Cu₂O/ZnO作催化剂的条件下，向2L的密闭容器中通入1mol CO(g)和2mol H₂(g)，发生反应(ii)，反应过程中，CH₃OH的物质的量（n）与时间（t）及温度的关系如图所示。

①应（ii）需在   （填“高温”或“低温”）才能自发进行。
②据研究，反应过程中起催化作用的为Cu₂O，反应体系中含少量的CO₂ 有利于维持Cu₂O的量不变，
原因是  （用化学方程式表示）。
③在500℃恒压条件下，请在上图中画出反应体系中n(CH₃OH)随时间t变化的总趋势图。
（3）工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反应的热化学方程式为：
CH₃OH(g)+CO(g)HCOOCH₃(g) ，科研人员对该反应进行了研究，部分研究结果如下：

①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率”看，工业制取甲酸甲酯应选择的压强是   。 (填“3.5×10⁶Pa”、“4.0×10⁶Pa”或“5.0×10⁶Pa”)。
②实际工业生产中采用的温度是80℃，其理由是    。

(15分)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。LiOH可由电解法制备，钴氧化物可通过处理钴渣获得。
（1）利用如图装置电解制备LiOH，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为__________溶液（填化学式），阳极电极反应式为__________ ，电解过程中Li⁺向_____电极迁移（填“A”或“B”）。

（2）利用钴渣[含Co(OH)₃、Fe(OH)₃等]制备钴氧化物的工艺流程如下：

Co(OH)₃溶解还原反应的离子方程式为____________________________________，铁渣中铁元素的化合价为___________，在空气中煅烧CoC₂O₄生成钴氧化物和CO₂，测得充分煅烧后固体质量为2.41g，CO₂的体积为1.344L（标准状况），则钴氧化物的化学式为__________。