高中化学探究电解池作用试题

某种锂离子电池的正极材料是将含有钴酸锂（LiCoO₂）的正极粉均匀涂覆在铝箔上制成的，可以再生利用。某校研究小组尝试回收废旧正极材料中的钴。

（1）25℃时，用图1所示装置进行电解，有一定量的钴以Co²⁺的形式从正极粉中浸出，且两极均有气泡产生，一段时间后正极粉与铝箔剥离。
①阴极的电极反应式为：LiCoO₂ + 4H⁺ + e^- ="==" Li⁺ + Co²⁺ + 2H₂O 、         。
阳极的电极反应式为         。
②该研究小组发现硫酸浓度对钴的浸出率有较大影响，一定条件下，测得其变化曲线如图2所示。当c(H₂SO₄) > 0.4 mol·L^-1时，钴的浸出率下降，其原因可能为         。
（2）电解完成后得到含Co²⁺的浸出液，且有少量正极粉沉积在电解槽底部。用以下步骤继续回收钴。

①写出“酸浸”过程中正极粉发生反应的化学方程式         。该步骤一般在80℃以下进行，温度不能太高的原因是         。
②已知(NH₄)₂C₂O₄溶液呈弱酸性，下列关系中正确的是         （填字母序号）。
a.c (NH₄⁺)> c(C₂O₄^2-)>c (H⁺)>c (OH^-)
b.c (H⁺) +c (NH₄⁺) ="c" (OH^-) + c(HC₂O₄^-)+c(C₂O₄^2-)
c.c (NH₄⁺)+ c (NH₃•H₂O) = 2[c(C₂O₄^2-) + c(HC₂O₄^-) + c(H₂C₂O₄)]
（3）已知所用锂离子电池的正极材料为x g，其中LiCoO₂（M =" 98" g·mol^-1）的质量分数为a%，则回收后得到CoC₂O₄•2H₂O （M =" 183" g·mol^-1）的质量不高于         g。

（一）在含有物质的量各为0.1 mol FeCl₃、H₂SO₄、Cu(NO₃)₂的溶液500 mL中，逐渐加入铁粉，溶液中n(Fe^2＋)与加入n(Fe)的关系如图A(请注意识图，该题图中每小正方格长度为0.05mol)。（提示：忽略离子水解产生的影响；如果有硝酸根被还原时，则生成一氧化氮气体）
（1）写出图中n(Fe)从0.125mol-0.225 mol段对应反应的离子方程式____。
（2）写出图中n(Fe)从0-0.05 mol段对应反应的离子方程式____。
（3）请在图B中画出溶液中n(Fe^3＋)与加入n(Fe)的变化关系图
（4）当反应进行到最后，取该溶液2mL加入试管中，为了证明该溶液中有NO₃^－存在，可以向试管中在滴加_______。

A．酸性KMnO4溶液

B．含有盐酸的KSCN溶液

C．碘水

D．次氯酸钠溶液

（二）下图是电解槽的剖面图，箭头的方向指的是气体或溶液的流向，阳离子交换膜只允许阳离子通过。现要用此装置来通过电解分离Na₂SO₄和NaOH的混合溶液，则向装置中通入A₁溶液和A₂溶液(A₁溶液是Na₂SO₄和NaOH的混合溶液，A₂溶液是NaOH的稀溶液)。电解一段时间后，装置中流出：B₂溶液（是NaOH的浓溶液）和B₁溶液，C₁气体和C₂气体。

（1） C₂气体是______（填化学式）。
（2）请写出阳极反应的电极方程式                                .
（3）请简述阴极室能流出NaOH的浓溶液的原因                         .

甲醇（CH₃OH）是一种重要的化工原料，也是一种比较理想的燃料。甲醇在各个领域有着广泛的应用。
（1）实验测得：32 g甲醇在氧气中完全燃烧，生成二氧化碳气体和液态水时释放出726.4 kJ的热量，试写出甲醇燃烧的热化学方程式：_________________________。
（2）燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。下图是一个化学过程的示意图。2CH₃OH+3O₂+4KOH K₂CO₃+6H₂O

①A（石墨）电极的名称是               。
②通入O₂的电极的电极反应式是________________
③写出通入CH₃OH的电极的电极反应式是                 。
④乙池中反应的化学方程式为                    。
⑤当电路中通过0.01mol电子时，丙池溶液的C(H⁺) =          mol/L（忽略电解过程中溶液体积的变化）。
（3）合成甲醇的主要反应是：2H₂（g）+ CO（g）CH₃OH（g） △H="—90.8" kJ·mol^—1。
①在恒温恒容条件下，充入一定量的H₂和CO，发生反应2H₂（g）+ CO（g） CH₃OH（g）。则该反应达到平衡状态的标志有
a．混合气体的密度保持不变        b．混合气体的总压强保持不变
c．CO的质量分数保持不变         d．甲醇的浓度保持不变
e．v_正（H₂）= v_逆（CH₃OH）        f．v（CO）= v（CH₃OH）
②要提高反应2H₂­（g）+ CO（g） CH₃OH（g）中CO的转化率，可以采取的措施是：
a．升温    b．加入催化剂
c．增加CO的浓度    d．加入H₂
e．加入惰性气体     f．分离出甲醇

氯气常用于自来水厂杀菌消毒。
（1）工业上用铁电极和石墨做为电极电解饱和食盐水生产氯气，铁电极作             极，石墨电极上的电极反应式为         。
（2）氯氧化法是在碱性条件下，用Cl₂将废水中的CN^-氧化成无毒的N₂和CO₂。该反应的离子方程式为         。
（3）氯胺（NH₂Cl）消毒法是在用液氯处理自来水的同时通入少量氨气，发生反应：Cl₂ + NH₃ = NH₂Cl + HCl，生成的NH₂Cl比HClO稳定，且能部分水解重新生成HClO，起到消毒杀菌的作用。
①氯胺能消毒杀菌的原因是         （用化学用语表示）。
②氯胺消毒法处理后的水中，氮元素多以NH₄⁺的形式存在。
已知：NH₄⁺(aq) + 1．5O₂(g)= NO₂^-(aq) + 2H⁺(aq) + H₂O (l)  ΔH=－273 kJ·mol^-1
NH₄⁺(aq) + 2O₂(g)= NO₃^-(aq) + 2H⁺(aq) + H₂O (l)   ΔH =－346 kJ·mol^-1
NO₂^-(aq)被O₂氧化成NO₃^-(aq)的热化学方程式为         。
（4）在水产养殖中，可以用Na₂S₂O₃将水中残余的微量Cl₂除去，某实验小组利用下图所示装置和药品制备Na₂S₂O₃。
   
结合上述资料回答：
开始通SO₂时，在B口检测到有新的气体生成，判断从B口排出的气体中是否含有H₂S，并写出判断依据          。
为获得较多的Na₂S₂O₃，当溶液的pH接近7时，应立即停止通入SO₂，其原因是         。

(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。

“氢能”被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢气的燃烧效率非常高，只要在汽油中加入4%的氢气，就可使内燃机节油40%。目前，氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。
已知：CH₄（g）＋H₂O（g）=CO（g）＋3H₂（g） ΔH＝206.2 kJ·mol^－1
CH₄（g）＋CO₂（g）=2CO（g）＋2H₂（g） ΔH＝247.4 kJ·mol^－1
2H₂S（g）=2H₂（g）＋S₂（g） ΔH＝169.8 kJ·mol^－1
（1）以甲烷为原料制取氢气是工业上常用的制氢方法。
CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO₂（g）和H₂（g）的热化学方程式为________。
（2）H₂S热分解制氢气时，常向反应器中通入一定比例空气，使部分H₂S燃烧，其目的是____________；燃烧生成的SO₂与H₂S进一步反应，生成物在常温下均为非气体，写出该反应的化学方程式：________________。
（3）H₂O的热分解也可得到H₂，高温下水分解体系中主要气体的体积分数与温度的关系如图1所示。图中A、B表示的物质依次是________。

（4）电解尿素[CO（NH₂）₂]的碱性溶液制氢的装置示意图见图2（电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴、阳极均为惰性电极）。电解时，阳极的电极反应式为________________。
（5）Mg₂Cu是一种储氢合金。350 ℃时，Mg₂Cu与H₂反应，生成MgCu₂和仅含一种金属元素的氢化物（其中氢的质量分数为0.077）。Mg₂Cu与H₂反应的化学方程式为____________。

一定条件下合成乙烯：
6H₂（g）＋2CO₂（g）CH₂＝CH₂（g）＋4H₂O（g）        △H₁
已知：2H₂（g）＋O₂（g）＝2 H₂O（g）       △H₂＝－480 kJ•mol^-1
CH₂＝CH₂（g）＋3O₂（g）＝2CO₂（g）＋2 H₂O（g）     △H₃＝－1400 kJ•mol^-1
（1）△H₁＝              。请标出该反应电子转移的方向和数目                     。
（2）温度对CO₂的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图，下列说法正确的是              。

A．生成乙烯的速率：v（M）有可能小于v（N）
B．平衡常数：K_M ＞K_N
C．催化剂会影响CO₂的平衡转化率
（3）若投料比n（H₂）∶n（CO₂）＝3∶1，则图中M点时，乙烯的体积分数为                 （保留两位有效 数字）。
（4）为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施有                 （任写一条）。
（5）电解法可制取乙烯（下图），电极a接电源的           极，该电极反应式为                    。

I.下图为相互串联的三个装置，试回答：

（1）若利用乙池在铁片上镀银，则B是_________（填电极材料），电极反应式是_________；应选用的电解质溶液是_____________。
（2）若利用乙池进行粗铜的电解精炼，则________极（填“A”或“B”）是粗铜，若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为_____________________。
（3）丙池滴入少量酚酞试液，电解一段时间___________（填“C”或“Fe”）极附近呈红色。
（4）写出甲池负极的电极反应式：________________________________。若甲池消耗3.2gCH₃OH气体，则丙池中阳极上放出的气体物质的量为______________。
II.（5）请利用反应Fe +2Fe³⁺= 3Fe²⁺设计原电池。
设计要求：①该装置尽可能提高化学能转化为电能的效率；
②材料及电解质溶液自选，在图中做必要标注；
③画出电子的转移方向。

如下图所示：

（1）a电极是_________（填“阴极”或“阳极”），b电极是_________（填“阴极”或“阳极”）。
（2）当电解NaCl溶液时：
①a电极的电极反应为________________，该反应是_______(填“氧化”或“还原”)反应；
②b电极的电极反应为______________，该反应是_________(填“氧化”或“还原”)反应。
（3）当电解精炼铜时：
①a电极是__________（填“粗铜”或“纯铜”），其电极反应为__________________________；
②b电极是__________（填“粗铜”或“纯铜”），其电极反应为__________________________。

H₂O₂是一种常用绿色氧化剂，在化学研究中应用广泛。
（1）空气阴极法电解制备H₂O₂的装置如下图所示，主要原理是在碱性电解质溶液中，通过利用空气中氧气在阴极还原得到H₂O₂和稀碱的混合物。试回答：

①直流电源的a极名称是           。
②阴极电极反应式为               。
③1979年，科学家们用CO、O₂和水在三苯膦钯的催化下室温制得了H₂O₂。相对于电解法，该方法具有的优点是安全、                   。
（2）Fe³⁺对H₂O₂的分解具有催化作用。利用图(a)和(b)中的信息，按图(c)装置（连通的A、B瓶中已充有NO₂气体）进行实验。可观察到B瓶中气体颜色比A瓶中的               （填“深”或“浅”），其原因是                         。

（3）用H₂O₂和H₂SO₄的混合溶液可溶解印刷电路板金属粉末中的铜。反应的离子方程式是             ，控制其它条件相同，印刷电路板的金属粉末用10%H₂O₂ 和3.0mol·L^－1H₂SO₄溶液处理，测得不同温度下铜的平均溶解速率（见下表）

温度（℃）	20	30	40	50	60	70	80
Cu的平均溶解速率 （×10^－3mol·min^－1）	7.34	8.01	9.25	7.98	7.24	6.73	5.76

当温度高于40℃时，铜的平均溶解速率随着反应温度的升高而下降，其主要原因是             。

铜、铁及其化合物在工业、农业、科技和日常生活中有广泛应用。
（1）工业上利用辉铜矿（主要成分是Cu₂S）冶炼铜。为了测定辉铜矿样品的纯度，用酸性高锰酸钾溶液反应(已知1 molCu₂S失去10mol的电子)，写出该反应的离子方程式                             。
（2）工业上利用废铜屑、废酸（含硝酸、硫酸）为主要原料制备硫酸铜晶体。某含有c(HNO₃)="2" mol·L^—1，c(H₂SO₄)="4" mol·L^—1的废酸混合液100 mL（不含其它酸或氧化剂），最多能制备硫酸铜晶体（CuSO₄·5H₂O）的质量为               。
（3）现有一块含有铜绿的铜片（假设不含其它杂质）在空气中灼烧至完全反应，经测定，反应前后固体的质量相同。（已知：金属生锈率=）
①上述铜片中铜的生锈率为                 （结果保留2位有效数字）
②固态铜与适量氧气反应，能量变化如下图所示，写出固态铜与氧气反应生成1 mol固态氧化亚铜的热化学方程式                             。

（4）高铁酸盐在能源环保等领域有广泛用途，如高铁酸钾(K₂FeO₄) 因有强氧化性，能杀菌消毒，产生Fe(OH)₃有吸附性，是一种新型净水剂，用如下图所示的装置可以制取少量的高铁酸钾。
（已知爱迪生蓄电池的反应式为：）

①爱迪生蓄电池的负极材料是                      
②写出制取高铁酸钾阳极的电极反应式                      
③当生成19.8g的K₂FeO₄时，隔膜两侧电解液的质量变化差(△m_右一△m_左)为_              g。

工业电解饱和食盐水模拟装置的结构如图所示：

（1）写出电解饱和食盐水的化学方程式                ，该工业称为                  工业
（2）实际生产中使用的盐往往含有一些杂质，在电解食盐水之前，需要提纯食盐水。为了除去粗盐中的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2－及泥沙，可将粗盐溶于水，然后进行下列五项操作，正确的操作顺序是                 
①过滤 ②加过量的NaOH溶液 ③加适量的盐酸 ④加过量的Na₂CO₃溶液 ⑤加过量的BaCl₂溶液

A．①④②⑤③

B．④①②⑤③

C．②⑤④①③

D．⑤②④③①

（3）在该装置中写出装NaOH溶液试管中所发生的化学反应方程式（并用双线桥表示电子的转移的方向和数目）                   。

(12分)某化学研究性小组采用如下装置(夹持和加热仪器已略去)电解饱和食盐水一段时间，并通过实验测定产物的量来判断饱和食盐水的电解率。饱和食盐水的电解率=（电解的氯化钠质量/总的氯化钠质量)×100%

甲方案：利用甲、乙装置测定饱和食盐水的电解率
（1）若饱和食盐水中滴有酚酞，则电解过程中甲装置中的实验现象：              。
（2）若洗气瓶a中盛放的为足量的氢氧化钠溶液，通过测定洗气瓶a在电解前后的质量变化来计算饱和食盐水的电解率，则正确的连接顺序为     连________（填A、B、C、D、E等导管口），则洗气瓶a中发生反应的离子方程式为                          。
乙方案：利用甲、丙装置测定饱和食盐水的电解率
（3）对于乙方案，有同学提出有两种方法都可测得饱和食盐水的电解率
Ⅰ．通过测定硬质玻璃管中氧化铜固体前后质量差来计算饱和食盐水的电解率
Ⅱ．通过测定丙装置中除硬质玻璃管外的某装置前后质量差来计算饱和食盐水的电解率
①一同学认为可以在乙方案方法Ⅱ中的装置中添加一干燥装置防止外界空气中的水蒸气的干扰，则该干燥装置应与          口连接
a．A         b．B          c．D         d．E
②另一同学认为乙方案的方法Ⅰ、Ⅱ测得的实验结论都不正确，你是否同意？请说明理由     。
丙方案：只利用甲装置测定饱和食盐水的电解率。
（4）若电解150mL饱和食盐水一段时间，测得溶液的为pH为14，求饱和食盐水的电解率      （假设电解前后溶液体积不变，饱和食盐水密度约为1．33 g/mL，溶解度为33．0g）。
（5）若往该电解后所得溶液中通入二氧化碳气体2．24L(标准状况)，则所得溶液中各离子浓度大小关系为：            。

铬是用途广泛的金属元素，但在生产过程中易产生有害的含铬工业废水。
（1）还原沉淀法是处理含Cr₂O₇^2—和CrO₄^2—工业废水的一种常用方法，其工艺流程为：

其中第I步存在平衡：2CrO₄^2—(黄色)+2H⁺Cr₂O₇^2— (橙色)+H₂O
①若平衡体系的pH=2，该溶液显        色。
②根据2CrO₄^2—+2H⁺Cr₂O₇^2— +H₂O，设计下图装置（均为惰性电极）电解Na₂CrO₄溶液制取Na₂Cr₂O₇。Na₂Cr₂O₇中铬元素的化合价为   ，图中右侧电极连接电源的      极，其电极反应式为            。

③第Ⅱ步反应的离子方程式：                            ，向Ⅱ反应后的溶液加一定量NaOH，若溶液中c(Fe³⁺)=2.0×10^—12mol·L^—1，则溶液中c(Cr³⁺)=      mol·L^—1。（已知Ksp[Fe(OH)₃]=4.0×10^—38，Ksp[Cr(OH)₃]=6.0x10^—31）。
（2）CrO₃具有强氧化性，遇到有机物（如酒精）时，猛烈反应以至着火。若该过程中乙醇被氧化成乙酸，CrO₃被还原成绿色的Cr₂(SO₄)₃。完成该反应的化学方程式：

（3）CrO₃的热稳定性较差，加热时逐步分解，其固体残留率随温度的变化如图所示。B点时剩余固体的成分是   （填化学式）。

(15分)目前，“低碳经济”备受关注，CO₂的产生及有效开发利用成为科学家研究的重要课题。
（1）向浓CaCl₂溶液中通入NH₃和CO₂,可以制得纳米级碳酸钙(粒子直径在1〜10nm之间)。
①向浓CaCl₂溶液中通入NH₃和CO₂气体制纳米级碳酸钙时，应先通入NH₃，后通 入CO₂。制备纳米级碳酸钙的离子方程式为______________
②判断产品中是否含有纳米级碳酸钙的实验方法为_____________。
（2）—定条件下，C(s)和H₂O(g)反应，能生成CO₂(g)和H₂(g)。将C(s)和H₂O(g)分别加入甲、乙两个密闭容器中，发生反应：C(s)+2H₂O(g)CO₂(g)+2H₂(g)，其相关数据如下表所示：

①T₁⁰C时，该反应的平衡常数K=_______
②乙容器中，当反应进行到1．5min时，H₂0(g)的物质的量浓度_______ (填选项字母）。
A．=0．8 mol/L           B．-1．4 mol/L       
C．<1．4 mol/L           D．>1．4 mol/L
③丙容器的容积为1L，t₂⁰C时，起始充入a mol C0₂和bmol H₂(g)，反应达到平衡时，测得CO₂的转化率大于H₂的转化率，则的值需满足的条件为______________;
④丁容器的容积为1L，T1⁰C时，按下列配比充入C(s)、H₂O(g)、CO₂(g)和H₂(g)，达到平衡时各气体的体积分数与甲容器完全相同的是_______(填选项字母）。
A．0.6 mol、1.0 mol、0.5 mol、1.0 mol
B．0.6 mol、2.0 mol、O mol、O mol
C．1.0 mol、2.0 mol、1.0 mol、2.0 mol
D．0.25 mol、0.5 mol、0.75 mol、1.5 mol
（3）CO₂在一定条件下可转化为甲醚(CH₃OCH₃)。用甲醚燃料电池做电源，用惰性电极电解饱和K₂SO₄溶液可制取H₂SO₄和KOH，实验装置如下图所示：

①甲醚燃料电池的负极反应式为________
②A口导出的物质为_____________________(填化学式)。
③若燃料电池通入CH₃OCH₃(g)的速率为0．1mol/min^-1 ,2 min时，理论上C口收集到标准状况下气体的体积为______________