第四章章末归纳总结
考向一 原电池与电解池
【例1-1】下列情景中对应铁电极上的电极反应式书写错误的是( )
选项 A B C D
情景 钢铁发生析氢腐蚀 常温下,铁片和铜片在浓硝酸中组成原电池 铁片连电源正极,碳棒连电源负极,电解NaOH溶液 在铁片上镀铜
电极反应
A.A B.B C.C D.D
【答案】B
【解析】A.钢铁发生析氢腐蚀时,负极上铁失电子生成亚铁离子,电极反应式为Fe-2e-=Fe2+,A不符合题意;
B.常温下,铁片在浓硝酸下发生钝化,铁电极上是NO3- 发生反应,B符合题意;
C.铁片连电源正极,铁作阳极发生氧化反应,在NaOH溶液做电解质溶液条件下,Fe-2e-+2OH-=Fe(OH)2 ,C不符合题意;
D.电镀时,镀层铜在阳极发生反应, ,D不符合题意;
故答案为:B。
【例1-2】(2022高二上·联合期中)下列关于电化学的说法错误的是( )
A.铝制品可利用阳极氧化法处理表面,使之形成致密的氧化膜而起到防护作用
B.水库的钢闸门接直流电源的正极,可以减缓闸门的腐蚀
C.轮船在船壳水线以下常装有一些锌块,这是利用了牺牲阳极的阴极保护法
D.氯碱工业选用阳离子交换膜隔离两个电极区
【答案】B
【解析】A.利用阳极氧化法处理铝制品的表面,阳极的电极反应式为: ,使之形成致密的氧化膜而钝化,故A不符合题意;
B.用外加电源的方法保护水库钢闸门,直流电源的负极和钢闸门直接相连,可以减缓闸门的腐蚀,故B符合题意;
C.轮船在船壳水线以下常装有一些锌块与铁构成原电池,铁做原电池的正极,锌做原电池的负极材料,利用了牺牲阳极的阴极保护法,故C不符合题意;
D.氯碱工业中隔离两电极的材料是阳离子交换膜,只允许阳离子通过,可以获得氢氧化钠并保证实验安全,该生产方法又称“阳离子交换膜法”,故D不符合题意;
故答案为:B。
【例1-3】(2022高二上·宁德期中)电解饱和食盐水是氯碱工业的基础。某研究小组利用如图所示装置进行电解饱和食盐水的实验,其中a、b均为惰性电极。回答下列问题。
(1)I.若X、Y为电源,通电一段时间后,b极附近溶液呈红色。
X为 极,Fe电极为 极。
(2)通电一段时间后,硫酸铜溶液的浓度 (填“变大”、 “变小”或“不变”)
(3)a电极的电极反应式 。
(4)II.若X、Y为两个铁夹,夹在被K2SO4溶液浸湿的滤纸条上。
装置I为 (填“原电池”或“电解池”)。
(5)若在滤纸中部滴上酸性KMnO4溶液,则会观察到紫色移向 电极(填“X”或“Y”)。
(6)反应后,若装置II中两电极一共收集到气体44.8 L(标准状况下),则电路中转移的电子数目为 。
【答案】(1)正;阴
(2)不变
(3)2Cl--2e-=Cl2↑
(4)原电池
(5)X
(6)2NA或1.204×1024
【解析】(1)若X、Y为电源,通电一段时间后,b极附近溶液呈红色。b电极发生反应:2H2O+2e-=H2↑+2OH-,所以b电极为阴极,a电极为阳极,则电源电极X为正极,Y为负极;装置I的Fe电极连接电源负极作阴极;
(2)对于装置I,Cu电极为阳极,发生反应:Cu-2e-=Cu2+;Fe电极为阴极,阴极的电极反应式为:Cu2++2e-=Cu,同一闭合回路中电子转移数目相等,则通电一段时间后,硫酸铜溶液的浓度不变;
(3)a电极为阳极,阳极上Cl-失去电子发生氧化反应产生Cl2,则阳极的电极反应式为:2Cl--2e-=Cl2↑;
(4)若X、Y为两个铁夹,夹在被K2SO4溶液浸湿的滤纸条上,由于a、b均为惰性电极,则只有装置I中两个电极活动性不同,因此装置I为原电池,装置II及K2SO4溶液浸湿的滤纸条装置为电解池。在装置I中金属活动性:Fe>Cu,Fe为负极,Cu为正极,a为阴极,b为阳极;X为阳极,Y为阴极;
(5)根据上述分析可知:上部的滤纸装置为电解池,X为阳极,Y为阴极。KMnO4溶液中的阴离子会向阳极X电极区域移动,故若在滤纸中部滴上酸性KMnO4溶液,则会观察到紫色移向X电极移动;
(6)在装置中发生反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。若反应过程中转移2 mol电子,会反应产生2 mol气体,其中1 mol H2,1 mol Cl2,反应后,若装置II中两电极一共收集到气体44.8 L(标准状况下),气体的物质的量n=2 mol,则反应过程中转移2 mol电子,则转移的电子数目是2NA或1.204×1024。
【一隅三反】
1.(2022高二上·宁德期中)金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述正确的是(已知氧化性:)( )
A.电解时,粗镍做阳极,纯镍做阴极
B.电解时,在阳极上放电的金属有Fe、Zn、Cu、Ni
C.电解后,溶液中的浓度增大
D.阴极的电极反应为:
【答案】A
【解析】A.根据分析,电解时,粗镍做阳极,纯镍做阴极,A项符合题意;
B.氧化性:Fe2+<Ni2+<Cu2+,则还原性:Fe>Ni>Cu,电解时,在阳极上放电的金属有Fe、Zn、Ni,Cu和Pt不放电,形成阳极泥,B项不符合题意;
C.电解后,溶液中Ni2+浓度略有减小,C项不符合题意;
D.阴极电极反应为Ni2++2e-=Ni,D项不符合题意;
故答案为:A。
2.(2022高二上·宁德期中)一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.a为直流电源的负极
B.阳极反应式为
C.若有1mol离子通过A膜,理论上阳极生成5.6L气体
D.甲池中硫酸根离子通过交换膜进入乙池
【答案】C
【解析】A.由分析可知,a连接电解池阴极,a为负极,A不符合题意;
B.石墨电极为阳极,阳极反应式为,B不符合题意;
C.甲池中氢离子通过A膜进入乙池,若有1mol离子通过A膜,则转移电子1mol,由于不确定是否为标况不能确定生成气体的体积,C符合题意;
D.电解池中阴离子向阳极运动,甲池中硫酸根离子通过阴离子交换膜进入乙池,D不符合题意;
故答案为:C。
3.(2022高二上·房山期中)人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要。回答下列问题:
(1)纸电池是未来电池发展的一个重要研究方向。某研究小组,根据纸电池结构示意图,利用实验室中的稀硫酸、蒸馏水和滤纸制作电解液,用铜片与镁片作为电极材料。
①其中放置镁片的位置是 (填a或b),电池工作时H+向 (填a或b)极作定向移动。
②某学生用硫酸铜溶液替代稀硫酸,请写出正极发生的电极反应式
(2)某种甲烷燃料电池的工作原理如下图所示:
①该装置的负极是电极 (填“A”或“B”);c处通入的物质是 (填“CH4”或“O2”)。
②甲烷燃料电池供电时的总反应方程式为 ,正极电极方程式: 。
③当该装置转移电子的数目为0.4mol时,消耗CH4标准状况下 L。
【答案】(1)b;a;Cu2++2e-=Cu
(2)A;CH4;CH4+2O2=CO2+2H2O;2O2+8H++8e-=4H2O;1.12
【解析】(1)①由题意可知,电极材料为铜片与镁片,镁比铜活泼,因此镁作负极,铜作正极,根据电子的转移方向可知,b为负极,a为正极,则放置镁片的位置是b;原电池工作时,阳离子向正极移动,因此H+向a极移动,故答案为:b;a;
②用硫酸铜溶液替代稀硫酸,则正极上铜离子得电子生成铜,电极反应式为Cu2++2e-=Cu,故答案为:Cu2++2e-=Cu;
(2)①原电池工作时,阳离子向正极移动,则A为正极,B为负极,燃料电池中,通入燃料的电极是负极,c处通入的物质是CH4;
②酸性条件下,总反应式方程式为:CH4+2O2=CO2+2H2O,氧气在正极得电子生成水,电极方程式为:2O2+8H++8e-=4H2O;
③酸性条件下,总反应式方程式为:CH4+2O2=CO2+2H2O,甲烷在负极失去电子生成二氧化碳和氢离子,电极方程式为:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+,当该装置转移电子的数目为0.4mol时,消耗0.05molCH4,标准状况下的体积为1.12L。
考向二 金属的防护与腐蚀
【例2-1】(2022高二上·宁德期中)中学化学教材中,常借助于图像这一表现手段清晰地突出实验装置的要点、形象地阐述化学过程的原理。下列有关化学图像表现的内容正确的是( )
A.图1表示牺牲阳极的阴极保护法
B.图2所示装置中的铁钉发生析氢腐蚀
C.图3表示在铁上镀铜
D.图4装置表示精炼铜,则a极为精铜,b极为粗铜
【答案】A
【解析】A.图1为原电池装置,锌为负极,铁为正极,表示牺牲阳极的阴极保护法,A符合题意;
B.浓硫酸不能提供氢离子,铁不能发生析氢腐蚀,B不符合题意;
C.电镀时,待镀铁件应放在阴极,C不符合题意;
D.根据电流方向可知a为阳极,为粗铜,D不符合题意;
故答案为:A。
【例2-2】(2022高二上·南阳月考)利用如图所示装置,可以模拟铁的电化学腐蚀,下列说法错误的是( )
A.若X为碳棒,为减慢铁的腐蚀,开关K应置于N处
B.若X为锌棒,K置于M或N处,均能减慢铁的腐蚀
C.若X为碳棒,将开关K置于M处时铁棒上发生的反应为Fe-2e-=Fe2+
D.若X为锌棒,将开关K置于N处时铁棒上发生的反应为Fe-2e-=Fe2+
【答案】D
【解析】A.若X为碳棒,当开关K置于N处时,形成电解池,铁做阴极被保护,能减缓铁的腐蚀,故A不符合题意;
B.若 X 为锌棒,开关 K 置于 M处,形成原电池,锌比铁活泼,锌为负极,铁做正极,在原电池中正极被保护,能减缓铁的腐蚀;当开关K置于N处时,形成电解池,铁做阴极被保护,能减缓铁的腐蚀,故B不符合题意;
C.若X为碳棒,开关 K 置于 M处,形成原电池,铁做负极,铁棒上发生的反应为Fe-2e-=Fe2+,故C不符合题意;
D.当X为锌时,开关K置于N处,形成电解池,铁做阴极,故阴极上的电极反应为:O2+4e-+2H2O=4OH-,故D符合题意;
故答案为:D。
【一隅三反】
1.(2022高二下·成都期中)下列说法正确的是( )
A.生铁中含有碳,抗腐蚀能力比纯铁强
B.黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿
C.电解精炼铜时,粗铜作阴极
D.当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用
【答案】B
【解析】A.生铁中含有C,与电解质溶液接触时会形成原电池,铁作原电池负极而容易被腐蚀,纯铁比生铁更耐腐蚀,故A不符合题意;
B.铜锌合金中锌更活泼,因此锌作负极,铜作正极,铜不易腐蚀,故B符合题意;
C.电解精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,电解液为含铜离子的盐溶液,常见为硫酸铜,故C不符合题意;
D.镀锡铁制品镀层破损后会形成原电池,铁比锡活泼,因此铁作负极,容易被腐蚀,故D不符合题意。故答案为B。
2.(2021高二上·金华期末)下列叙述不正确的是( )
A.铁制品上镀铜:铁制品为阳极,铜盐为电镀液
B.电解饱和食盐水,Cl-比OH-更易在阳极失去电子
C.放电时,铅酸蓄电池中硫酸浓度不断变小
D.外加电流法保护钢铁设备时,选用惰性辅助阳极
【答案】A
【解析】A.铁制品上镀铜时,铜为阳极,铁为阴极,铜盐为电镀液,故A符合题意;
B.用惰性电极电解饱和食盐水时,电解池的阳极上Cl-比OH-优先失去电子,发生的电极反应为:2Cl--2e-=Cl2↑,故B不符合题意;
C.铅酸蓄电池放电时,发生的反应是PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O,硫酸不断被消耗,浓度不断变小,故C不符合题意;
D.外加电流法是利用电解原理,把被保护的钢铁设备作为阴极,用惰性电极作为辅助阳极,两者均在电解质溶液里,外加直流电源,故D不符合题意;
故答案为:A。
3.(2021高二上·慈溪期末)在表面无锈的铁片上滴食盐水,一段时间后有铁锈出现。此过程反应为:2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2,Fe(OH)2进一步被氧气氧化为Fe(OH)3,再在一定条件下脱水生成铁锈,其原理如图。下列说法不正确的是( )
A.铁片发生氧化反应而被腐蚀
B.铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域
C.铁片腐蚀中正极发生的电极反应:2H2O+O2+4e-=4OH-
D.铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池,发生了电化学腐蚀
【答案】B
【解析】A.铁作负极,失电子发生氧化反应,A不符合题意;
B.铁片负极腐蚀最严重,由于离子的移动,在正极区域生成铁锈最多,B符合题意;
C.铁作负极,失电子被氧化,正极氧气得电子被还原,对应电极反应为O2+4e-+2H2O=4OH-,C不符合题意;
D.在一块表面无锈的铁片上滴食盐水,铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池,发生了电化学腐蚀,铁作负极,碳作正极,D不符合题意;
故答案为:B。
4.(2022高二下·赤峰期末)铁及其化合物在生产和生活中具有广泛的用途。请回答下列问题。
(1)铁制品暴露在潮湿空气中容易发生腐蚀,通过图甲所示装置可验证铁钉是否发生电化学腐蚀,正极反应式是 。
(2)利用图乙装置可模拟工业生产高铁酸盐,阳极反应为 ,阴极区的溶液 (填“增大”“减小”或“不变”)。利用高铁酸盐可制作新型可充电电池,该电池的总反应为,充电时阳极反应为 ,放电时每转移电子,正极有 被还原。
【答案】(1)
(2);增大;;
【解析】(1)铁钉用氯化钠溶液浸泡,水溶液环境呈中性,钢铁发生吸氧腐蚀,氧气在正极上得电子生成氢氧根,故电极反应为:O2+4e-+2H2O=4OH-;
(2)根据图中信息可知,铁为阳极发生氧化反应,可以制备新型净水剂高铁酸盐(FeO),电极反应式为:Fe-6e-+8OH-=FeO+4H2O,而阴极是水中的氢离子放电,生成氢气,同时产生氢氧根离子,所以阴极区溶液的pH增大;充电时阳极发生Fe(OH)3失电子的氧化反应,即反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO+4H2O,放电时正极反应为:FeO+4H2O+3e-=Fe (OH)3+5OH-,根据反应可知FeO~3e-,可得放电时,每转移0.6mol电子,正极有被还原K2FeO4的质量为0.6mol×=39.6g;
考向三 综合运用
【例3】(2022高二上·联合期中)“低碳经济”已成为全世界科学家研究的重要课题,为减小和消除对环境的影响,大力提倡新能源电车出行,科学家们为解决电车能源问题,探索出如下三种方案。
(1)Ⅰ.方案一:光解水,制造氢氧燃料电池
下图是某科研机构利用太阳光,在催化剂表面实现高效分解水来制备氢气的历程,关于该历程,下列说法错误的是____。
A.该法制氢能量变化是光能→化学能
B.过程Ⅰ的能量变化等于2倍氢氧键键能
C.过程Ⅲ的反应方程为:
D.该历程降低了水分解的反应热
Ⅱ.方案二:将与反应合成甲醇,制备甲醇燃料电池。制备甲醇的过程可能涉及的反应如下:
反应Ⅰ:
反应Ⅱ:
反应Ⅲ:
(2)求 ,反应Ⅰ能自发进行的条件是 。
(3)一定条件下,在2L的密闭容器中发生反应Ⅰ,起始物和的浓度随时间变化如图1所示,平衡时的体积分数 ;若保持其它反应条件不变,起始时仅将容器体积变为3L,请在图1上画出的浓度随时间变化的趋势图 。
(4)若密闭容器中只发生反应Ⅱ,以下能说明该反应达到平衡状态的是____(选填字母)。
A.CO与CO2浓度比为1∶1
B.
C.绝热条件下,该密闭体系压强不再变化
D.容器中混合气体的平均摩尔质量不再发生变化
(5)若CO2和按一定比例在装有催化剂的反应器中发生反应Ⅰ,一定时间内甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图2所示。当温度为470K时,图中P点 (填“是”或“不是”)处于平衡状态,说出理由 ;490K之后,甲醇产率下降,请分析其变化产生的原因 。
(6)Ⅲ.方案三:以二氧化碳为原料,开发新型电池
科学家可以利用如下图装置,“溶解”水中的二氧化碳,生成电能和氢气,请写出二氧化碳生成氢气的电极反应式 。
【答案】(1)B;D
(2);低温自发
(3)30%;
(4)B;C
(5)不是;图中P点甲醇产率不是最大,所以反应还没有达到平衡,P点不是处于平衡状态;可能原因:①该反应是放热反应,达到平衡后升高温度,平衡逆向移动;②也可能是未平衡,温度升高催化剂活性降低导致速率下降,产率下降,③也可能是温度升高,发生一个明显的副反应导致主反应的选择性下降
(6)
【解析】(1)A.该反应中水吸收太阳能分解生成氢气和氧气,光能转化为化学能,A正确;
B.过程Ⅰ吸收的能量除了使两个氢氧键断裂,还会使水分子运动更剧烈,能量变化大于2倍氢氧键键能,B不正确;
C.过程Ⅲ的方程式为,C正确;
D.水分解的反应热与反应物键能总和和生成物键能总和相关,与反应历程无关,D不正确;
故答案为:BD。
(2)反应Ⅲ=反应Ⅰ-反应Ⅱ,则ΔH3=-49.58kJ/mol-41.19kJ/mol=-90.77kJ/mol。ΔG=ΔH-TΔS,只有ΔG<0反应才能自发进行,反应ⅠΔH<0,ΔS<0,则其自发进行的条件为低温。
(3)从图中可知,起始时CO2物质的量为2mol,则H2物质的量为6mol,平衡时CH3OH物质的量为1.5mol,CO2物质的量为0.5mol,则,平衡时H2的体积分数为1.5mol÷5mol=30%,保持其他条件不变,将容器体积增大至3L,该反应为气体体积减小的反应,增大体积,化学平衡逆向移动,生成的水的浓度减小,此外容器体积增大,反应物浓度减小,反应速率减小,故图像为 。
(4)A.CO和CO2浓度比为1:1与反应初始的投料比和反应进程有关,无法说明反应达到平衡,A不正确;
B.V正(H2)=V正(CO2)=V逆(CO2),可以说明反应达到平衡,B正确;
C.反应Ⅱ为吸热反应,绝热条件下随着反应进行温度降低,压强减小,压强不变说明反应达到平衡,C正确;
D.反应Ⅱ为等体积反应,混合气体的平均摩尔质量始终不变,D不正确;
故答案为:BC。
(5)从图中可知P点甲醇产率不是最大,所以反应还没有达到平衡,P点不是处于平衡状态。可能原因为①该反应是放热反应,达到平衡后升高温度,平衡逆向移动;②也可能是未平衡,温度升高催化剂活性降低导致速率下降,产率下降,③也可能是温度升高,发生一个明显的副反应导致主反应的选择性下降。
(6)由图可知,二氧化碳在水电解质中反应最终生成碳酸氢根离子和H2,a电极钠离子失电子,b电极处H2O得电子生成氢气,电极反应式为。
【一隅三反】
1.(2022高二上·平顶山开学考)研究化学反应时,既要考虑物质变化与能量变化,又要关注反应的快慢与限度。回答下列问题:
(1)I.能源是现代生产生活、科学研究和社会发展的重要支柱。化学反应中的能量变化,主要表现为化学能、热能、电能等的变化。
下列反应中,既属于放热反应,在一定条件下又能设计成原电池反应的是 (填字母)。
A.NH4Cl与Ba(OH)2混合
B.2C+O22CO
C.C+CO22CO
D.H2SO4溶液与Ba(OH)2溶液中和
(2)Fe-Cu原电池的装置如图所示。
①铁作 (填“正极”或“负极”),溶液中H+向 (填“铁”或“铜”)电极方向移动。
②正极的现象是 ,负极的电极反应式为 。
③若反应过程中有0.2mol电子发生转移,则生成的氢气在标准状况下的体积为 L。
(3)II.恒容密闭容器中发生反应NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g),生成物氨气的浓度c(NH3)随反应时间的变化情况如表所示。
时间/s 0 8 16 24 32 400
c(NH3)/(mol L-1) 0 1.3 1.8 2.1 2.2 2.2
在8~16s内,以CO2表示的平均反应速率v(CO2)= mol L-1 min-1,对于该反应,下列说法一定正确的是 (填字母)。
A.加入合适的催化剂可加快该反应的速率,但并不改变其限度
B.32s时c(NH3)不再改变,说明此时该反应恰好到达平衡状态
C.将NH2COONH4研成粉末,可以缩短反应达到平衡的时间
D.当氨气的体积分数φ(NH3)不再改变时,说明该反应已达到化学平衡
【答案】(1)B
(2)负极;铜;有气泡产生;Fe-2e-=Fe2+;2.24
(3)1.875;AC
【解析】(1)自发的氧化还原反应可以设计成原电池;
A.NH4Cl与Ba(OH)2混合为吸热反应且不是氧化还原反应,A不正确;
B.该反应为自发的氧化还原反应且反应放出热量,B正确;
C.该反应为吸热反应,C不正确;
D.该反应为复分解反应不是氧化还原,D 不正确;
故答案为:B。
(2)①铁活动性大于铜,发生氧化反应,作负极;原电池中阳离子向正极移动,故溶液中H+向铜电极方向移动。
②正极反应为氢离子放电生成氢气,现象是有气泡产生,负极上铁失去电子发生氧化反应,电极反应式为Fe-2e-=Fe2+。
③2e-~H2,若反应过程中有0.2mol电子发生转移,则生成的氢气的物质的量为0.1mol,标况下体积为2.24L。
(3)在8~16s内,氨气的反应速率为,根据化学方程式体现的关系可知,以CO2表示的平均反应速率v(CO2)= 0.03125mol L-1 s-1=1.875 mol L-1 min-1;
A.加入合适的催化剂可加快该反应的速率,但并不改变其限度和转化率,A正确;
B.32s时c(NH3)不再改变,说明此时该反应到达平衡状态,但也有可能再24-32s之间到达平衡,B不正确;
C.将NH2COONH4研成粉末,可以增大反应接触面积,缩短反应达到平衡的时间,C正确;
D.反应生成氨气和二氧化碳的比例式固定的,当氨气的体积分数φ(NH3)不再改变时,不说明正逆反应速率相等,不能说明该反应已达到化学平衡,D不正确;
故答案为:AC。
2.(2022高二上·南京开学考)燃煤烟气中的NOx、SO2经处理后可被吸收,电化学在相关邻域也有重要应用。
(1)若烟气主要成分为NO、SO2,可通过电解法除去,其原理如图所示。阴极的电极反应式为 。电解过程得到产物为 。
(2)若烟气主要成分为NO2、SO2,可通入NaOH溶液将NO2完全转化为NO。则NO2、SO2与NaOH反应的离子方程式为 。
(3)电解法也可除去水中的氨氮,实验室用石墨电极电解一定浓度的(NH4)2SO4与NaCl的酸性混合溶液来进行模拟。
①电解时,阳极的电极反应式为 。
电解过程中溶液初始Cl-浓度和pH对氨氮去除速率与能耗(处理一定量氨氮消耗的电能)的影响关系如图1和图2所示。
②图1中当Cl-浓度较低时、图2中当初始pH达到12时,氨氮去除速率低而能耗高的原因可能是 ;而当Cl-浓度较高时,测得溶液中的NO浓度也较高,可能的原因是 。
(4)肼(N2H4)燃料电池示意图:肼燃料电池中A极发生的电极反应为: 。
【答案】(1)NO+5e-+6H+=NH+H2O;(NH4)2SO4、H2SO4
(2)2NO2+SO2+4OH-=2NO+SO-+2H2O
(3)2Cl--2e-=Cl2↑;阳极可能OH-放电,产生大量氧气,消耗电能;Cl-浓度较高时,产生的Cl2(或HClO)较多,会将NH氧化为NO
(4)N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O
【解析】(1)该装置为电解池,阴极连电源的负极,由图可知阴极NO得电子生成NH,阴极电极反应式为NO+5e-+6H+=NH+H2O,阳极SO2失电子,阳极电极反应式为:SO2-2e-+2H2O=SO+4H+,产物为(NH4)2SO4、H2SO4;
(2)由题知NO2、SO2通入NaOH溶液将NO2完全转化为NO,N元素价态由+4价降到+3价,故S元素价态需升高即由SO2生成SO,再根据得失电子守恒和元素守恒配平即可得2NO2+SO2+4OH-=2NO+SO-+2H2O;
(3)①用石墨电极电解一定浓度的(NH4)2SO4与NaCl的酸性混合溶液,阳极发生氧化反应,Cl-失电子生成氯气,电极反应式为:2Cl--2e-=Cl2↑;
②Cl-浓度较低或pH较大时,阳极可能是OH-放电,产生大量氧气,消耗电能,所以氨氮去除速率低而能耗高;Cl-浓度较高时,产生的Cl2(或HClO)较多,会将NH氧化为NO;
(4)肼燃料电池中A极为负极,发生失电子的反应,电极反应式为N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O。
【分析】(1)由图可知,右边电极为阳极,电极反应式为SO2-2e-+2H2O=SO+4H+,右边电极为阴极,电极反应式为NO+5e-+6H+=NH+H2O;
(2) NO2、SO2与NaOH发生反应2NO2+SO2+4OH-=2NO+SO-+2H2O;
(3)①阳极发生氧化反应;
②Cl-浓度较低或pH较大时,阳极可能是OH-放电,产生大量氧气,消耗电能,Cl-浓度较高时,产生的Cl2(或HClO)较多, 会将NH氧化为NO ;
(4)燃料电池中,通入燃料的一极为负极,负极发生氧化反应,通入氧气的一极为正极,正极发生还原反应。
3.(2022高二下·赤峰期末)回答下列问题:
(1)X、Y、Z、W均为中学化学中常见物质,一定条件下它们之间有如下转化关系(其它产物已略去)。下列说法错误的是
A.若W是单质铁,则Z溶液可能是溶液
B.若W是氢氧化钠,则X水溶液呈酸性
C.若W是氧气,则X、Z的相对分子质量可能相差48
D.若W是强氧化性的单质,则X可能是金属铝
(2)A是一种常见的铵盐,受热分解可得到碱性气体B,C、D是常见的两种氧化物,E溶液显酸性。A、B、C、D、E是含有一种相同元素的五种化合物,在一定条件下可发生如图所示的转化。
①B的化学式 ;D的颜色 。
②实验室中常用A和另一种固体制备B,写出相应的化学方程式 。
(3)电化学原理在防止金属腐蚀、能量转换、物质合成等方面应用广泛。
①图1中,为了减缓海水对钢闸门A的腐蚀,材料B可以选择 (填字母标号)。
a.碳棒 b.锌板 c.铜板
②镁燃料电池在可移动电子设备电源和备用电源等方面应用前景广阔。图2为“镁—次氯酸盐”燃料电池原理示意图,电极为镁合金和铂合金。E为该燃料电池的 (填“正”或“负”)极。F电极上的电极反应式为 。
【答案】(1)D
(2);红棕色;
(3)b;负;
【解析】(1)A.W为Fe,若X为Cl2,则Y为FeCl3,Z为FeCl2,Z溶液可能是FeCl2溶液,A正确;B.W是氢氧化钠,则X为CO2,则Y为NaHCO3,Z为Na2CO3,X也可以为SO2,溶液都显酸性,B正确;C.若W是氧气,则或者,则X、Z的相对分子质量可能相差48或者32,C正确;D.若W是强氧化性的单质,则X应为有可变价态的元素的物质,不可能是金属铝,D不正确;
故答案为:D;
(2)①由以上分析可知,B是NH3;D是NO2,是红棕色气体;②实验室用氯化铵与氢氧化钙加热制取氨气,化学方程式为2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O;
(3)①可利用原电池原理对金属进行防护,此时Fe作正极被保护,则要选择活泼性比Fe强的金属作负极,所以选锌和铝镁合金,
故答案为:b;②E电极Mg的价态升高,失电子,应为负极;F电极为正极,ClO-得电子生成氯离子,则正极的电极反应式为:。第四章章末归纳总结
考向一 原电池与电解池
【例1-1】下列情景中对应铁电极上的电极反应式书写错误的是( )
选项 A B C D
情景 钢铁发生析氢腐蚀 常温下,铁片和铜片在浓硝酸中组成原电池 铁片连电源正极,碳棒连电源负极,电解NaOH溶液 在铁片上镀铜
电极反应
A.A B.B C.C D.D
【例1-2】(2022高二上·联合期中)下列关于电化学的说法错误的是( )
A.铝制品可利用阳极氧化法处理表面,使之形成致密的氧化膜而起到防护作用
B.水库的钢闸门接直流电源的正极,可以减缓闸门的腐蚀
C.轮船在船壳水线以下常装有一些锌块,这是利用了牺牲阳极的阴极保护法
D.氯碱工业选用阳离子交换膜隔离两个电极区
【例1-3】(2022高二上·宁德期中)电解饱和食盐水是氯碱工业的基础。某研究小组利用如图所示装置进行电解饱和食盐水的实验,其中a、b均为惰性电极。回答下列问题。
(1)I.若X、Y为电源,通电一段时间后,b极附近溶液呈红色。
X为 极,Fe电极为 极。
(2)通电一段时间后,硫酸铜溶液的浓度 (填“变大”、 “变小”或“不变”)
(3)a电极的电极反应式 。
(4)II.若X、Y为两个铁夹,夹在被K2SO4溶液浸湿的滤纸条上。
装置I为 (填“原电池”或“电解池”)。
(5)若在滤纸中部滴上酸性KMnO4溶液,则会观察到紫色移向 电极(填“X”或“Y”)。
(6)反应后,若装置II中两电极一共收集到气体44.8 L(标准状况下),则电路中转移的电子数目为 。
【一隅三反】
1.(2022高二上·宁德期中)金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述正确的是(已知氧化性:)( )
A.电解时,粗镍做阳极,纯镍做阴极
B.电解时,在阳极上放电的金属有Fe、Zn、Cu、Ni
C.电解后,溶液中的浓度增大
D.阴极的电极反应为:
2.(2022高二上·宁德期中)一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.a为直流电源的负极
B.阳极反应式为
C.若有1mol离子通过A膜,理论上阳极生成5.6L气体
D.甲池中硫酸根离子通过交换膜进入乙池
3.(2022高二上·房山期中)人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要。回答下列问题:
(1)纸电池是未来电池发展的一个重要研究方向。某研究小组,根据纸电池结构示意图,利用实验室中的稀硫酸、蒸馏水和滤纸制作电解液,用铜片与镁片作为电极材料。
①其中放置镁片的位置是 (填a或b),电池工作时H+向 (填a或b)极作定向移动。
②某学生用硫酸铜溶液替代稀硫酸,请写出正极发生的电极反应式
(2)某种甲烷燃料电池的工作原理如下图所示:
①该装置的负极是电极 (填“A”或“B”);c处通入的物质是 (填“CH4”或“O2”)。
②甲烷燃料电池供电时的总反应方程式为 ,正极电极方程式: 。
③当该装置转移电子的数目为0.4mol时,消耗CH4标准状况下 L。
考向二 金属的防护与腐蚀
【例2-1】(2022高二上·宁德期中)中学化学教材中,常借助于图像这一表现手段清晰地突出实验装置的要点、形象地阐述化学过程的原理。下列有关化学图像表现的内容正确的是( )
A.图1表示牺牲阳极的阴极保护法
B.图2所示装置中的铁钉发生析氢腐蚀
C.图3表示在铁上镀铜
D.图4装置表示精炼铜,则a极为精铜,b极为粗铜
【例2-2】(2022高二上·南阳月考)利用如图所示装置,可以模拟铁的电化学腐蚀,下列说法错误的是( )
A.若X为碳棒,为减慢铁的腐蚀,开关K应置于N处
B.若X为锌棒,K置于M或N处,均能减慢铁的腐蚀
C.若X为碳棒,将开关K置于M处时铁棒上发生的反应为Fe-2e-=Fe2+
D.若X为锌棒,将开关K置于N处时铁棒上发生的反应为Fe-2e-=Fe2+
【一隅三反】
1.(2022高二下·成都期中)下列说法正确的是( )
A.生铁中含有碳,抗腐蚀能力比纯铁强
B.黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿
C.电解精炼铜时,粗铜作阴极
D.当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用
2.(2021高二上·金华期末)下列叙述不正确的是( )
A.铁制品上镀铜:铁制品为阳极,铜盐为电镀液
B.电解饱和食盐水,Cl-比OH-更易在阳极失去电子
C.放电时,铅酸蓄电池中硫酸浓度不断变小
D.外加电流法保护钢铁设备时,选用惰性辅助阳极
3.(2021高二上·慈溪期末)在表面无锈的铁片上滴食盐水,一段时间后有铁锈出现。此过程反应为:2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2,Fe(OH)2进一步被氧气氧化为Fe(OH)3,再在一定条件下脱水生成铁锈,其原理如图。下列说法不正确的是( )
A.铁片发生氧化反应而被腐蚀
B.铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域
C.铁片腐蚀中正极发生的电极反应:2H2O+O2+4e-=4OH-
D.铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池,发生了电化学腐蚀
4.(2022高二下·赤峰期末)铁及其化合物在生产和生活中具有广泛的用途。请回答下列问题。
(1)铁制品暴露在潮湿空气中容易发生腐蚀,通过图甲所示装置可验证铁钉是否发生电化学腐蚀,正极反应式是 。
(2)利用图乙装置可模拟工业生产高铁酸盐,阳极反应为 ,阴极区的溶液 (填“增大”“减小”或“不变”)。利用高铁酸盐可制作新型可充电电池,该电池的总反应为,充电时阳极反应为 ,放电时每转移电子,正极有 被还原。
考向三 综合运用
【例3】(2022高二上·联合期中)“低碳经济”已成为全世界科学家研究的重要课题,为减小和消除对环境的影响,大力提倡新能源电车出行,科学家们为解决电车能源问题,探索出如下三种方案。
(1)Ⅰ.方案一:光解水,制造氢氧燃料电池
下图是某科研机构利用太阳光,在催化剂表面实现高效分解水来制备氢气的历程,关于该历程,下列说法错误的是____。
A.该法制氢能量变化是光能→化学能
B.过程Ⅰ的能量变化等于2倍氢氧键键能
C.过程Ⅲ的反应方程为:
D.该历程降低了水分解的反应热
Ⅱ.方案二:将与反应合成甲醇,制备甲醇燃料电池。制备甲醇的过程可能涉及的反应如下:
反应Ⅰ:
反应Ⅱ:
反应Ⅲ:
(2)求 ,反应Ⅰ能自发进行的条件是 。
(3)一定条件下,在2L的密闭容器中发生反应Ⅰ,起始物和的浓度随时间变化如图1所示,平衡时的体积分数 ;若保持其它反应条件不变,起始时仅将容器体积变为3L,请在图1上画出的浓度随时间变化的趋势图 。
(4)若密闭容器中只发生反应Ⅱ,以下能说明该反应达到平衡状态的是____(选填字母)。
A.CO与CO2浓度比为1∶1
B.
C.绝热条件下,该密闭体系压强不再变化
D.容器中混合气体的平均摩尔质量不再发生变化
(5)若CO2和按一定比例在装有催化剂的反应器中发生反应Ⅰ,一定时间内甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图2所示。当温度为470K时,图中P点 (填“是”或“不是”)处于平衡状态,说出理由 ;490K之后,甲醇产率下降,请分析其变化产生的原因 。
(6)Ⅲ.方案三:以二氧化碳为原料,开发新型电池
科学家可以利用如下图装置,“溶解”水中的二氧化碳,生成电能和氢气,请写出二氧化碳生成氢气的电极反应式 。
【一隅三反】
1.(2022高二上·平顶山开学考)研究化学反应时,既要考虑物质变化与能量变化,又要关注反应的快慢与限度。回答下列问题:
(1)I.能源是现代生产生活、科学研究和社会发展的重要支柱。化学反应中的能量变化,主要表现为化学能、热能、电能等的变化。
下列反应中,既属于放热反应,在一定条件下又能设计成原电池反应的是 (填字母)。
A.NH4Cl与Ba(OH)2混合
B.2C+O22CO
C.C+CO22CO
D.H2SO4溶液与Ba(OH)2溶液中和
(2)Fe-Cu原电池的装置如图所示。
①铁作 (填“正极”或“负极”),溶液中H+向 (填“铁”或“铜”)电极方向移动。
②正极的现象是 ,负极的电极反应式为 。
③若反应过程中有0.2mol电子发生转移,则生成的氢气在标准状况下的体积为 L。
(3)II.恒容密闭容器中发生反应NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g),生成物氨气的浓度c(NH3)随反应时间的变化情况如表所示。
时间/s 0 8 16 24 32 400
c(NH3)/(mol L-1) 0 1.3 1.8 2.1 2.2 2.2
在8~16s内,以CO2表示的平均反应速率v(CO2)= mol L-1 min-1,对于该反应,下列说法一定正确的是 (填字母)。
A.加入合适的催化剂可加快该反应的速率,但并不改变其限度
B.32s时c(NH3)不再改变,说明此时该反应恰好到达平衡状态
C.将NH2COONH4研成粉末,可以缩短反应达到平衡的时间
D.当氨气的体积分数φ(NH3)不再改变时,说明该反应已达到化学平衡
2.(2022高二上·南京开学考)燃煤烟气中的NOx、SO2经处理后可被吸收,电化学在相关邻域也有重要应用。
(1)若烟气主要成分为NO、SO2,可通过电解法除去,其原理如图所示。阴极的电极反应式为 。电解过程得到产物为 。
(2)若烟气主要成分为NO2、SO2,可通入NaOH溶液将NO2完全转化为NO。则NO2、SO2与NaOH反应的离子方程式为 。
(3)电解法也可除去水中的氨氮,实验室用石墨电极电解一定浓度的(NH4)2SO4与NaCl的酸性混合溶液来进行模拟。
①电解时,阳极的电极反应式为 。
电解过程中溶液初始Cl-浓度和pH对氨氮去除速率与能耗(处理一定量氨氮消耗的电能)的影响关系如图1和图2所示。
②图1中当Cl-浓度较低时、图2中当初始pH达到12时,氨氮去除速率低而能耗高的原因可能是 ;而当Cl-浓度较高时,测得溶液中的NO浓度也较高,可能的原因是 。
(4)肼(N2H4)燃料电池示意图:肼燃料电池中A极发生的电极反应为: 。
3.(2022高二下·赤峰期末)回答下列问题:
(1)X、Y、Z、W均为中学化学中常见物质,一定条件下它们之间有如下转化关系(其它产物已略去)。下列说法错误的是
A.若W是单质铁,则Z溶液可能是溶液
B.若W是氢氧化钠,则X水溶液呈酸性
C.若W是氧气,则X、Z的相对分子质量可能相差48
D.若W是强氧化性的单质,则X可能是金属铝
(2)A是一种常见的铵盐,受热分解可得到碱性气体B,C、D是常见的两种氧化物,E溶液显酸性。A、B、C、D、E是含有一种相同元素的五种化合物,在一定条件下可发生如图所示的转化。
①B的化学式 ;D的颜色 。
②实验室中常用A和另一种固体制备B,写出相应的化学方程式 。
(3)电化学原理在防止金属腐蚀、能量转换、物质合成等方面应用广泛。
①图1中,为了减缓海水对钢闸门A的腐蚀,材料B可以选择 (填字母标号)。
a.碳棒 b.锌板 c.铜板
②镁燃料电池在可移动电子设备电源和备用电源等方面应用前景广阔。图2为“镁—次氯酸盐”燃料电池原理示意图,电极为镁合金和铂合金。E为该燃料电池的 (填“正”或“负”)极。F电极上的电极反应式为 。