高中化学探究电解池作用试题

【改编】污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题。某研究小组利用软锰矿(主要成分为MnO₂，另含有少量铁、铝、铜、镍等金属化合物)作脱硫剂，通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO₂，又制得电池材料MnO₂(反应条件已省略)。

请回答下列问题：
（1）上述流程中多次涉及到过滤操作，下图表示的过滤操作中的一处错误是_______；过滤后的沉淀需要洗涤，则实验室进行沉淀洗涤的操作是                 。

（2）用MnCO₃能除去溶液中的Al^3＋和Fe^3＋，检验滤液中不存在Fe^3＋的实验操作是_____________。
（3）已知K_sp(CuS)＝8.4×10^－45，K_sp(NiS)＝1.4×10^－24；在除铜镍的过程中，当Ni^2＋恰好完全沉淀 (此时溶液中c(Ni^2＋)＝1.0×10^－5mol/L)，溶液中Cu^2＋的浓度是      mol/L。
（4）工业上采用电解K₂MnO₄水溶液的方法来生产KMnO₄，其中隋性电极作阳极，铁作阴极，请写出阴极的电极反应式                                   。
（5）下列各组试剂中，不能准确测定一定体积燃煤尾气中SO₂含量的是__________。(填编号)
a.NaOH溶液、酚酞试液            b.稀H₂SO₄酸化的KMnO₄溶液
c.碘水、淀粉溶液                 d.氨水、酚酞试液
（6）除杂后得到的MnSO₄溶液可以通过             (填操作名称)。高锰酸钾与硫酸锰反应制备MnO₂的离子方程式为_____________。

以黄铜矿精矿为原料，制取硫酸铜及金属铜的工艺如下所示：
Ⅰ.将黄铜矿精矿（主要成分为CuFeS₂，含有少量CaO、MgO、Al₂O₃）粉碎
Ⅱ.采用如下装置进行电化学浸出实验

将精选黄铜矿粉加入电解槽阳极区，恒速搅拌，使矿粉溶解。在阴极区通入氧气，并加入少量催化剂。
Ⅲ.一段时间后，抽取阴极区溶液，向其中加入有机萃取剂（RH）发生反应：
2RH（有机相）+ Cu²⁺（水相）R₂Cu（有机相）+ 2H^＋（水相）
分离出有机相，向其中加入一定浓度的硫酸，使Cu²⁺得以再生。
Ⅳ.电解硫酸铜溶液制得金属铜。
（1）黄铜矿粉加入阳极区与硫酸及硫酸铁主要发生以下反应：
CuFeS₂ + 4H^＋ = Cu²⁺ + Fe²⁺ + 2H₂S    2Fe³⁺ + H₂S = 2Fe²⁺ + S↓+ 2H^＋
① 阳极区硫酸铁的主要作用是       。
② 电解过程中，阳极区Fe³⁺的浓度基本保持不变，原因是       。
（2）阴极区，电极上开始时有大量气泡产生，后有固体析出，一段时间后固体溶解。写出上述现象对应的反应式       。
（3）若在实验室进行步骤Ⅲ，分离有机相和水相的主要实验仪器是       ；加入有机萃取剂的目的是       。
（4）步骤Ⅲ，向有机相中加入一定浓度的硫酸，Cu²⁺得以再生的原理是       。
（5）步骤Ⅳ，若电解200mL0.5 mol/L的CuSO₄溶液，生成铜3.2 g，此时溶液中离子浓度由大到小的顺序是       。

氮化硅（Si₃N₄）是一种优良的高温结构陶瓷，在航天航空、汽车发动机、机械等领域有着广泛的用途。工业上有多种方法来制备氮化硅，常见的方法有：
（1）在1 300-l 400℃时，高纯粉状硅与纯氮气化合，其反应方程式为_________。
（2）在高温条件下利用四氯化硅气体、纯氮气、氢气反应生成氮化硅和HCl。
①已知：25℃，101 kPa条件下的热化学方程式：
3Si（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）  △H= -750.2kJ/mol
Si（s）+2Cl₂（g）=SiCl₄（g）  △H="-609.6" kJ/mol
H₂（g）+Cl₂（g）=2HCl（g）  △H="--184.6" kJ/mol
四氯化硅气体与氮气、氢气反应的热化学方程式为____________________。
②工业上制取高纯硅和四氯化硅的生产流程如下：

已知：X，高纯硅、原料B的主要成分都可与Z反应，Y与X在光照或点燃条件下可反应，Z的焰色呈黄色。
上述生产流程中电解A的水溶液时，阳极材料能否用Cu？________（填“能”或“不能”）。写出Cu为阳极电解A的水溶液开始一段时间阴阳极的电极方程式。阳极:       ；阴极：        。
（3）由石英砂合成氮化硅粉末的路线图如下所示

（把图中的①·⑤改为I-V）
①石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学方程式表示其原因：               。
②图示I-V的变化中，属于氧化还原反应的是         。
③SiCl₄在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。SiCl₄水解的化学方程式为___________________。
④在反应IV中四氯化硅与氨气反应生成Si（NH₂）₄和一种气体       （填分子式）；在反应V中Si（NH₂）₄受热分解，分解后的另一种产物的分子式为          。

2013年初，雾霾天气多次肆虐我国中东部，该地区PM2.5严重超标。研究表明，PM2.5约60%来源于某些气体污染物在空气中转变而成的二次颗粒物。这些气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。因此，控制、治理PM2.5污染源成为环保的重要课题。
（1）研究表明，TiO₂在紫外线照射下会使空气中的某些分子产生活性基团OH，如图所示，OH与NO₂的反应为NO₂＋OHHNO₃。写出OH与NO反应的化学方程式：_____________，该反应中被氧化的元素是       。

（2）如图所示的电解装置能吸收和转化NO₂、NO和SO₂。阴极排出的溶液中含S₂O₄^2-离子，能吸收NO_x气体，生成的SO₃^2-可在阴极区再生。请将S₂O₄^2-吸收NO₂的离子方程式配平，并标明电子转移的方向和数目。
____S₂O₄^2-＋____NO₂＋____OH^－    SO₃^2-＋____N₂＋____

（3）已知上述电解装置阳极反应为：SO₂－2e^－＋2H₂OSO₄^2-＋4H^＋，阴极生成的吸收液每吸收标准状况下7.84 L的气体，阳极区新生成质量分数为49%的硫酸100 g，则被吸收气体中NO₂和NO的物质的量之比为             。
（4）PM2.5产生的主要来源是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物（PM2.5）则主要来自化石燃料的燃烧（如机动车尾气、燃煤）、挥发性有机物的排放等。请你结合信息，给出降低PM2.5排放的对策（至少两条）：           ______     。

（1）甲醇可作为燃料电池的原料。以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇。
① CH₄(g)+H₂O(g)＝CO(g) + 3H₂(g)  △H ＝+206.0 kJ·mol^－1
② CO(g)+2H₂(g)＝CH₃OH (g)        △H＝－129.0 kJ·mol^－1
CH₄(g)与H₂O(g)反应生成CH₃OH (g)和H₂(g)的△H＝          。
（2）将1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O ( g )通入容积为10 L的反应器，在一定条件下发生反应①，测得在一定压强下CH₄的转化率与温度的关系如图。

假设100℃时达到平衡所需的时间为5 min，则用H₂表示该反应的平均反应速率为    mol·L^-1·min^-1。
（3）在某温度和压强下，将一定量 CO与H₂充入密闭容器发生反应②生成甲醇，平衡后压缩容器体积至原来的l/2，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是     (填序号)：

A．c ( H2 )减少；

B．平衡常数K增大；

C．CH3OH 的物质的量增加；

D．正反应速率加快，逆反应速率减慢；

E.重新平衡c ( H₂ )/ c (CH₃OH )减小
（4）电解法可消除甲醇对水质造成的污染，原理是：通电将Co²⁺氧化成Co³⁺，然后Co³⁺将甲醇氧化成CO₂和H⁺（用石墨烯吸附除去Co²⁺）。现用图装置模拟上述过程，

则：Co²⁺在阳极的电极反应式为：              ；除去甲醇的离子方程式为                 。

二氧化氯（ClO₂）为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。
（1）工业上制备ClO₂的反应原理常采用：2NaClO₃＋4HCl=2ClO₂↑＋Cl₂↑＋2H₂O＋2NaCl。
① 浓盐酸在反应中显示出来的性质是_______（填序号）。

A．只有还原性

B．还原性和酸性

C．只有氧化性

D．氧化性和酸性

② 若上述反应中产生0.1 mol ClO₂，则转移电子的物质的量为_______mol。
（2）目前已开发出用电解法制取ClO₂的新工艺。
 
①上图示意用石墨做电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO₂。写出阳极产生ClO₂的电极反应式：__________。
②电解一段时间，当阴极产生的气体体积为112 mL（标准状况）时，停止电解。通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为_________mol；用平衡移动原理解释阴极区pH增大的原因______________。
（3）ClO₂对污水中Fe²⁺、Mn²⁺、S^2—和CN^-等有明显的去除效果。某工厂污水中含CN^- a mg/L，现用ClO₂将CN^-氧化，只生成两种气体，其离子反应方程式为_______；处理100 m³这种污水，至少需要ClO₂ _______ mol 。

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

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______________