高中化学实验题

氮的氧化物( $N{O}_x$ )是大气污染物之一，工业上在一定温度和催化剂条件下用 ${\mathrm{NH}}_3$ 将 ${\mathrm{NO}}_x$ 还原生 成 ${\mathrm{N}}_2$ , 某同学在实验室中对 ${\mathrm{NH}}_3$ 与 ${\mathrm{NO}}_x$ 反应进行了探究。回答下列问题：

（1）氨气的制备

①氨气的发生装置可以选择上图中的_     ， 反应的化学方程式为_            。

②预收集一瓶干燥的氨气，选择上图中的装置, 其连接顺序为: 发生装置→            (按气流方向, 用小写字母表示)。

（2）氨气与二氧化氮的反应

将上述收集到的 ${\mathrm{NH}}_3$ 充入注射器 $\mathrm{X}$ 中, 硬质玻璃管 $\mathrm{Y}$ 中加入少量催化剂, 充入 ${\mathrm{NO}}_2$ (两端用夹 子 ${\mathrm{K}}_1,{\mathrm{K}}_2$ 夹好)。在一定温度下按图示装置进行实验。

操作步骤	实验现象	解释原因
打开 ${\mathrm{K}}_1$ , 推动注射器活塞, 使 X中的气体缓慢通入 Y 管中	(1)Y 管中	(2反应的化学方程式
将注射器活塞退回原处并固 定, 待装置恢复到室温	Y 管中有少量水珠	生成的气态水凝集
打开 ${\mathrm{K}}_2$

氧化石墨烯具有稳定的网状结构，在能源、材料等领域有着重要的应用前景。通过氧化剥离石墨制备氧化石墨烯的一种方法如下（装置如图所示）：

Ⅰ.将浓 $H_{2}S{O}_4$ 、 $\mathit{NaN}{O}_3$ 、石墨粉末在c中混合，置于冰水浴中。剧烈搅拌下，分批缓慢加入 $\mathit{KMn}{O}_4$ 粉末。塞好瓶口。

Ⅱ.转至油浴中， $35℃$ 搅拌1小时。缓慢滴加一定量的蒸馏水。升温至 $98℃$ 并保持1小时。

Ⅲ.转移至大烧杯中，静置冷却至室温。加入大量蒸馏水，而后滴加 $H_2{O}_2$ 至悬浊液由紫色变为土黄色。

Ⅳ.离心分离，稀盐酸洗涤沉淀。

Ⅴ.蒸馏水洗涤沉淀。

Ⅵ.冷冻干燥，得到土黄色的氧化石墨烯。

回答下列问题：

（1）装置图中，仪器a、c的名称分别是 　　、 　　，仪器b的进水口是 　　（填字母）。

（2）步骤Ⅰ中，需分批缓慢加入 $\mathit{KMn}{O}_4$ 粉末并使用冰水浴，原因是 　　。

（3）步骤Ⅱ中的加热方式采用油浴，不使用热水浴，原因是 　　。

（4）步骤Ⅲ中， $H_2{O}_2$ 的作用是 　　（以离子方程式表示）。

（5）步骤Ⅳ中，洗涤是否完成，可通过检测洗出液中是否存在 $S{O_4}^{2﹣}$ 来判断。检测的方法是 　　。

（6）步骤Ⅴ可用 $\mathit{pH}$ 试纸检测来判断 $C{l}^{﹣}$ 是否洗净，其理由是 　　。

某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物，还有少量其他不溶性物质。采用如图工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体（NiSO ₄•7H ₂O ）：

溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：

金属离子	Ni ^2+	Al ^3+	Fe ^3+	Fe ^2+
开始沉淀时（c＝0.01 mol•L ^﹣ ^1）的pH 沉淀完全时（c＝1.0×10 ^﹣ ^5mol•L ^﹣ ^1）的pH	7.2 8.7	3.7 4.7	2.2 3.2	7.5 9.0

回答下列问题：

（1）"碱浸"中NaOH的两个作用分别是 　　。为回收金属，用稀硫酸将"滤液①"调为中性，生成沉淀。写出该反应的离子方程式 　　。

（2）"滤液②"中含有的金属离子是 　　。

（3）"转化"中可替代H ₂O ₂的物质是 　　。若工艺流程改为先"调pH"后"转化"，即 ，"滤液③"中可能含有的杂质离子为 　   。

（4）利用上述表格数据，计算Ni（OH） ₂的K _sp＝ 　　（列出计算式）。如果"转化"后的溶液中Ni ²⁺浓度为1.0mol•L ^{﹣ 1}，则"调pH"应控制的pH范围是 　　。

（5）硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化，可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH．写出该反应的离子方程式 　　。

（6）将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，其意义是 　　。

氯可形成多种含氧酸盐，广泛应用于杀菌、消毒及化工领域。实验室中利用如图装置（部分装置省略）制备

KClO ₃和NaClO，探究其氧化还原性质。

回答下列问题：

（1）盛放MnO ₂粉末的仪器名称是 　　，a中的试剂为 　　。

（2）b中采用的加热方式是 　　。c中化学反应的离子方程式是 　　，采用冰水浴冷却的目的是 　　。

（3）d的作用是 　　，可选用试剂 　　（填标号）。

A．Na ₂S B．NaCl C．Ca（OH） ₂D．H ₂SO ₄

（4）反应结束后，取出b中试管，经冷却结晶， 　　， 　　，干燥，得到KClO ₃晶体。

（5）取少量KClO ₃和NaClO溶液分别置于1号和2号试管中，滴加中性KI溶液。1号试管溶液颜色不变。2号试管溶液变为棕色，加入CCl ₄振荡，静置后CCl ₄层显 　　色。可知该条件下KClO ₃的氧化能力 　　NaClO（填"大于"或"小于"）。

苯甲酸可用作食品防腐剂。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸，其反应原理简示如下：

名称	相对分子质量	熔点/℃	沸点/℃	密度/（g•mL^﹣^1）	溶解性
甲苯	92	﹣95	110.6	0.867	不溶于水，易溶于乙醇
苯甲酸	122	122.4（100℃左右开始升华）	248	﹣﹣	微溶于冷水，易溶于乙醇、热水

实验步骤：

（1）在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5mL甲苯、100mL水和4.8g （约0.03mol）高锰酸钾，慢慢开启搅拌器，并加热回流至回流液不再出现油珠。

（2）停止加热，继续搅拌，冷却片刻后，从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液，并将反应混合物趁热过滤，用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液，于冰水浴中冷却，然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤，用少量冷水洗涤，放在沸水浴上干燥。称量，粗产品为1.0g。

（3）纯度测定：称取0.122g粗产品，配成乙醇溶液，于100mL容量瓶中定容。每次移取25.00mL溶液，用0.01000mol•L^﹣1的KOH标准溶液滴定，三次滴定平均消耗21.50mL的KOH标准溶液。

回答下列问题：

（1）根据上述实验药品的用量，三颈烧瓶的最适宜规格为　 　 （填标号）。

A.100mL B.250mL C.500mL D.1000mL

（2）在反应装置中应选用　　冷凝管（填“直形”或“球形”），当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成，其判断理由是　　。

（3）加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是　　；该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理，请用反应的离子方程式表达其原理　　。

（4）“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是　　。

（5）干燥苯甲酸晶体时，若温度过高，可能出现的结果是　　。

（6）本实验制备的苯甲酸的纯度为　　； 据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于　　（填标号）。

A.70% B.60% C.50% D.40%

（7）若要得到纯度更高的苯甲酸，可通过在水中　　的方法提纯。

化学工业为疫情防控提供了强有力的物质支撑。氯的许多化合物既是重要化工原料，又是高效、广谱的灭菌消毒剂。回答下列问题：

（1）氯气是制备系列含氯化合物的主要原料，可采用如图（a）所示的装置来制取。装置中的离子膜只允许 　 离子通过，氯气的逸出口是 　 　（填标号）。

（2）次氯酸为一元弱酸，具有漂白和杀菌作用，其电离平衡体系中各成分的组成分数δ[δ（X） $=\frac{c\left(X\right)}{c\left(\mathit{HClO}\right)+c\left(\mathit{Cl}{O}^{-}\right)}$ ，X为HClO或ClO ^﹣]与pH的关系如图（b）所示。HClO的电离常数K _a值为 　 　。

（3）Cl ₂O为淡棕黄色气体，是次氯酸的酸酐，可由新制的HgO和Cl ₂反应来制备，该反应为歧化反应（氧化剂和还原剂为同一种物质的反应）。上述制备Cl ₂O的化学方程式为 　 　。

（4）ClO ₂常温下为黄色气体，易溶于水，其水溶液是一种广谱杀菌剂。一种有效成分为NaClO ₂、NaHSO ₄、NaHCO ₃的"二氧化氯泡腾片"，能快速溶于水，溢出大量气泡，得到ClO ₂溶液。上述过程中，生成ClO ₂的反应属于歧化反应，每生成1mol ClO ₂消耗NaClO ₂的量为 　 　mol；产生"气泡"的化学方程式为 　 　。

（5）"84消毒液"的有效成分为NaClO，不可与酸性清洁剂混用的原因是 　 　（用离子方程式表示）。工业上是将氯气通入到30%的NaOH溶液中来制备NaClO溶液，若NaClO溶液中NaOH的质量分数为1%，则生产1000kg该溶液需消耗氯气的质量为 　 　kg（保留整数）。

有机碱，例如二甲基胺（ ）、苯胺（ ）、吡啶（ ）等，在有机合成中应用很普遍，目前"有机超强碱"的研究越来越受到关注。以下为有机超强碱F的合成路线：

已知如下信息：

①H ₂C＝CH ₂ $\stackrel{\mathit{CC}{l}_3\mathit{COONa}}{\underset{\mathit{乙二醇二甲醚}/△}{\to }}$

② +RNH ₂ $\stackrel{\mathit{NaOH}}{\underset{-2\mathit{HCl}}{\to }}$

③苯胺与甲基吡啶互为芳香同分异构体

回答下列问题：

（1）A的化学名称为 　 　。

（2）由B生成C的化学方程式为 　　。

（3）C中所含官能团的名称为 　　。

（4）由C生成D的反应类型为 　 。

（5）D的结构简式为 　　。

（6）E的六元环芳香同分异构体中，能与金属钠反应，且核磁共振氢谱有四组峰，峰面积之比为6：2：2：1的有 　　种，其中，芳香环上为二取代的结构简式为 　　。

Goodenough等人因在锂离子电池及钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料研究方面的卓越贡献而获得2019年诺贝尔化学奖。回答下列问题：

（1）基态Fe ²⁺与Fe ³⁺离子中未成对的电子数之比为 　 　。

（2）Li及其周期表中相邻元素的第一电离能（I ₁）如表所示。I ₁（Li）＞I ₁（Na），原因是 　 　。 I ₁（Be）＞I ₁（B）＞I ₁（Li），原因是 　。

I 1/（kJ•mol ^﹣ ^1）
Li 520	Be 900	B 801
Na 496	Mg 738	Al 578

（3）磷酸根离子的空间构型为 　 　，其中P的价层电子对数为 　 　、杂化轨道类型为 　 　。

（4）LiFePO ₄的晶胞结构示意图如（a）所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO ₄的单元数有 　 　个。

电池充电时，LiFePO ₄脱出部分Li ⁺，形成Li _{1 ﹣ x}FePO ₄，结构示意图如（b）所示，则x＝ 　　，n（Fe ²⁺）：n（Fe ³⁺）＝ 　 　。

硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序是SO ₂的催化氧化：SO ₂（g） $+\frac{1}{2}$ O ₂（g） $\stackrel{\mathit{钒催化剂}}{\to }$ SO ₃（g）△H＝﹣98kJ•mol ^{﹣ 1}．回答下列问题：

（1）钒催化剂参与反应的能量变化如图（a）所示，V ₂O ₅（s）与SO ₂（g）反应生成VOSO ₄（s）和V ₂O ₄（s）的热化学方程式为： 　　。

（2）当SO ₂（g）、O ₂（g）和N ₂（g）起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时，在0.5MPa、2.5MPa和5.0MPa压强下，SO ₂平衡转化率α随温度的变化如图（b）所示。反应在5.0MPa、550℃时的α＝ 　　，判断的依据是 　　。影响α的因素有 　　。

（3）将组成（物质的量分数）为2m% SO ₂（g）、m% O ₂（g）和q% N ₂（g）的气体通入反应器，在温度t、压强p条件下进行反应。平衡时，若SO ₂转化率为α，则SO ₃压强为 　　，平衡常数K _p＝ 　　（以分压表示，分压＝总压×物质的量分数）。

（4）研究表明，SO ₂催化氧化的反应速率方程为：v＝k（ $\frac{\alpha }{\alpha \prime }-$ 1） ^0.8（1﹣nα′）式中：k为反应速率常数，随温度t升高而增大；α为SO ₂平衡转化率，α′为某时刻SO ₂转化率，n为常数。在α′＝0.90时，将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程，得到v～t曲线，如图（c）所示。

曲线上v最大值所对应温度称为该α′下反应的最适宜温度t _m．t＜t _m时，v逐渐提高；t＞t _m后，v逐渐下降。原因是 　　。

为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。

回答下列问题：

（1）由FeSO ₄•7H ₂O固体配制0.10mol•L ^{﹣ 1}FeSO ₄溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、 　　（从下列图中选择，写出名称）。

（2）电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率（u ^∞）应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择 　　作为电解质。

阳离子	u ^∞×10 ^8/（m ^2•s ^﹣ ^1•V ^﹣ ^1）	阴离子	u ^∞×10 ^8/（m ^2•s ^﹣ ^1•V ^﹣ ^1）
Li ^+	4.07	HCO 3 ^﹣	4.61
Na ^+	5.19	NO 3 ^﹣	7.40
Ca ^2+	6.59	Cl ^﹣	7.91
K ^+	7.62	SO 4 ^2 ^﹣	8.27

（3）电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入 　　电极溶液中。

（4）电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c（Fe ²⁺）增加了0.02mol•L ^{﹣ 1}．石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c（Fe ²⁺）＝ 　　。

（5）根据（3）、（4）实验结果，可知石墨电极的电极反应式为 　　，铁电极反应式为 　　。因此，验证了Fe ²⁺氧化性小于 　　，还原性小于 　　。

（6）实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO ₄溶液中加入几滴Fe ₂（SO ₄） ₃溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 　　。

羟基乙酸钠易溶于热水，微溶于冷水，不溶于醇、醚等有机溶剂。制备少量羟基乙酸钠的反应为ClCH₂COOH+2NaOH→HOCH₂COONa+NaCl+H₂O△H＜0

实验步骤如下：

步骤1：在如图所示装置的反应瓶中，加入40g氯乙酸、50mL水，搅拌。逐步加入40% NaOH溶液，在95℃继续搅拌反应2小时，反应过程中控制pH约为9。

步骤2：蒸出部分水至液面有薄膜，加少量热水，趁热过滤。滤液冷却至15℃，过滤得粗产品。

步骤3：粗产品溶解于适量热水中，加活性炭脱色，分离掉活性炭。

步骤4：将去除活性炭后的溶液加到适量乙醇中，冷却至15℃以下，结晶、过滤、干燥，得羟基乙酸钠。

（1）步骤1中，如图所示的装置中仪器A的名称是　　；逐步加入NaOH溶液的目的是　　。

（2）步骤2中，蒸馏烧瓶中加入沸石或碎瓷片的目的是　　。

（3）步骤3中，粗产品溶解于过量水会导致产率　　（ 填“增大”或“减小”）；去除活性炭的操作名称是　　。

（4）步骤4中，将去除活性炭后的溶液加到适量乙醇中的目的是　　。

以铁、硫酸、柠檬酸、双氧水、氨水等为原料可制备柠檬酸铁铵[（NH₄）₃Fe（C₆H₅O₇）₂]．

（1）Fe基态核外电子排布式为　　；[Fe（H₂O）₆]²⁺中与Fe²⁺配位的原子是　　（填元素符号）．

（2）NH₃分子中氮原子的轨道杂化类型是　　；C、N、O元素的第一电离能由大到小的顺序为　　．

（3）与NH₄⁺互为等电子体的一种分子为　　（填化学式）．

（4）柠檬酸的结构简式如图．1mol柠檬酸分子中碳原子与氧原子形成的σ键的数目为　　mol．

CO₂/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。

（1）CO₂催化加氢。在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO₃溶液（CO₂与KOH溶液反应制得）中通入H₂生成HCOO^﹣，其离子方程式为　　；其他条件不变，HCO₃^﹣转化为HCOO^﹣的转化率随温度的变化如图1所示。反应温度在40℃～80℃范围内，HCO₃^﹣催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是　　。

（2）HCOOH燃料电池。研究HCOOH燃料电池性能的装置如图2所示，两电极区间用允许K⁺、H⁺通过的半透膜隔开。

①电池负极电极反应式为　　；放电过程中需补充的物质A为　　（填化学式）。

②如图2所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O₂的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为　　。

（3）HCOOH催化释氢。在催化剂作用下，HCOOH分解生成CO₂和H₂可能的反应机理如图3所示。

①HCOOD催化释氢反应除生成CO₂外，还生成　　（填化学式）。

②研究发现：其他条件不变时，以HCOOK溶液代替HCOOH催化释氢的效果更佳，其具体优点是　　。

实验室由炼钢污泥（简称铁泥，主要成分为铁的氧化物）制备软磁性材料α﹣Fe₂O₃．其主要实验流程如图。

（1）酸浸。用一定浓度的H₂SO₄溶液浸取铁泥中的铁元素。若其他条件不变，实验中采取下列措施能提高铁元素浸出率的有　　 （填序号）。

A．适当升高酸浸温度

B．适当加快搅拌速度

C．适当缩短酸浸时间

（2）还原。向“酸浸”后的滤液中加入过量铁粉，使Fe³⁺完全转化为Fe²⁺．“还原”过程中除生成Fe²⁺外，还会生成　　（填化学式）；检验Fe³⁺是否还原完全的实验操作是　　。

（3）除杂。向“还原”后的滤液中加入NH₄F溶液，使Ca²⁺转化为CaF₂沉淀除去。若溶液的pH偏低，将会导致CaF₂沉淀不完全，其原因是　　[K_sp（CaF₂）＝5.3×10^﹣9，K_a（HF）＝6.3×10^﹣4]。

（4）沉铁。将提纯后的FeSO₄溶液与氨水﹣NH₄HCO₃混合溶液反应。生成FeCO₃沉淀。

①生成FeCO₃沉淀的离子方程式为　　。

②设计以FeSO₄溶液、氨水﹣NH₄HCO₃混合溶液为原料，制备FeCO₃的实验方案：　　[FeCO₃沉淀需“洗涤完全”，Fe（OH）₂开始沉淀的pH＝6.5]。

苯佐卡因是临床常用的一种手术用药。以甲苯为起始原料的合成路线如图。

回答问题：

（1）甲苯分子内共面的H原子数最多为 　 　个。

（2）A的名称是 　 　。

（3）在A的同分异构体中，符合下列条件的是 　　（ 写出一种结构简式）。

①与A具有相同官能团

②属于芳香化合物

③核磁共振氢谱有5组峰

（4）B中官能团名称为 　　。

（5）B→C的反应方程式为 　　。

（6）反应过程中产出的铁泥属于危化品，处理方式为 　　（ 填编号）。

a．高温炉焚烧

b．填埋

c．交有资质单位处理

（7）设计以甲苯和丙三醇为原料合成3﹣苄氧基﹣1，2﹣丙二醇（ ）的路线 　　（其他试剂任选）。

已知：在于HCl催化下丙酮与醇ROH反应生成缩酮。缩酮在碱性条件下稳定。在酸中水解为丙酮和醇ROH。