- 原电池工作原理的实验探究
- 共4125题
甲醇是基础有机化工原料和新型清洁燃料，广泛用于制造各种燃料电池。工业上以甲烷和水蒸气为原料制备甲醇，反应过程如下。
反应Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)
反应Ⅱ：CO(g)+2H2(g)
(1)如图是反应1进行过程中的能量变化示意图。根据图象判断，升高温度，反应I的平衡常数将____________ （填“增大”、“减小”或“不变”）。反应I的逆反应的活化能为___________（用含E1、E2的表达式表示）
(2)已知在催化剂和一定压强下，反应?能自发进行。若保持容器容积不变，下列措施可增加该反应中CO转化率的是___________（填字母）。
A．适当降低温度
B．将甲醇从反应体系中分离出来
C．充入He，使体系总压强增大
D．按原比例再充入CO和H2(3)一种甲醇燃料电池以多孔石墨为电极，一极通入甲醇蒸气，另一极通入氧气，电解质溶液为4L 1 moI/L的KOH溶液。当有3 mol甲醇放电时，电解质溶液中各种离子的浓度由大到小的顺序为_________________
(4)下图甲是一种甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇提供质子和电子，电子经外电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH+3O2
①M电极的电极反应式为______________________________。
②以上述电池做电源，用乙图所示装置，在实验室中模拟铝制品表面“钝化”处理的过程中，发现Al电极附近逐渐变浑浊并有气泡逸出，原因是（用离子方程式表示）：______________。Al电极应接燃料电池的___________（填“M”或“N”）极。
正确答案
(1)增大；E1-E2
(2)ABD
(3)c(K+)>
(4)①CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+；②Al+3HCO3-- 3e-=Al(OH)3↓+3CO2↑；N
氯化铜晶体中常含FeC12杂质，为制得纯净氯化铜晶体（CuC12•2H2O），首先将其溶于稀盐酸中，然后按下面所示操作步骤进行提纯．
已知：（1）下列物质中，最适合作为氧化剂X的是______（填序号）
A．H2O2B．KMnO4C．NaC1O D．浓硫酸
写出加入X后发生反应离子的方程式______．
（2）加入的物质Y可以是______，目的是______
（3）某同学利用反应Cu+2H+ Cu2++H2↑设计实验来
制取氯化铜溶液．该同学设计的装置应该为______（填“原电池”或“电解池”）．请画出该同学设计的装置图，并指明电极材料和电解质溶液．
（4）从CuC12稀溶液中得到CuC12•2H2O晶体，在蒸发结晶的过程中，为了防止Cu2+的水解，应采取的措施是______．
正确答案
（1）根据框图，加入氧化剂X可把Fe2+氧化为Fe3+，而没有增加新杂质，所以X为H2O2，发生的反应为：2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O，故答案为：A；2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O；
（2）①结合题示，调节pH至4～5，使Fe3+全部沉淀，同样不引进新杂质，所以Y最好为CuO或Cu（OH）2或CuCO3，故答案为：CuO或Cu（OH）2或CuCO3；
（3）Cu与盐酸不反应，为使反应Cu+2H+═Cu2++H2↑发生，应设计成电解池，铜作阳极，可将铜作阳极，碳棒或铂为阴极，盐酸为电解质，设计电解池为
，故答案为：电解池；
；
（4）CuCl2溶液在蒸发结晶过程中发生水解，为抑制其水解，根据Cu2++2H2O
Cu（OH）2+2H+，加入盐酸可起到抑制作用，并且在蒸发过程中要不断搅拌且不能蒸干，故答案为：在HCl气流下加热浓缩，冷却结晶．
高炉炼铁是冶炼铁的主要方法，发生的主要反应为：
Fe2O3（s）+3CO（g）⇌2Fe（s）+3CO2（g） △H
（1）已知：①Fe2O3（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g） △H1="+489.0" KJ·mol-1
②C（石墨）+CO2（g）=2CO（g） △H2=+172.5KJ·mol-1
则△H= KJ•mol-1。
（2）高炉炼铁反应的平衡常数表达式K= ，温度升高后，K值 （填“增大”、“不变”或“减小”）。
（3）在T℃时，该反应的平衡常数K=64，在2L恒容密闭容器甲和乙中，分别按下表所示加入物质，反应经过一段时间后达到平衡。
①甲容器中CO的平衡转化率为 。
②下列说法正确的是 （填字母）。
A．当容器内气体密度恒定，表明反应达到平衡状态
B．甲容器中CO的平衡时的速率小于乙容器中CO平衡时的速率
C．甲、乙容器中，CO的平衡浓度之比为3：2
D．增加Fe2O3的量可以提高CO的转化率
（4）汽车尾气是城市空气污染的一个重要因素，一种CO分析仪的传感器可测定汽车尾气是否符合排放标准，该分析仪的工作原理类似燃料电池，其中电解质是氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在高温熔融状态下能传导O2－（过程中无气体产生），则负极的反应式为 。
正确答案
（1）-28.5kJ/mol (2) K=
试题分析：（1）①Fe2O3（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H1 ="+489.0" KJ·mol-1① C（石墨）+CO2 （g）=2CO（g）△H2 =+172.5KJ·mol-1②；由①-②×3，得到热化学方程式：Fe2O3（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO2（g）△H=△H1-3△H2=-28.5kJ/mol；（2）反应Fe2O3（s）+3CO（g）⇌2Fe（s）+3CO2（g）的平衡常数K=
（3）①令平衡时CO的物质的量变化为nmol，则：
Fe2O3（s）+3CO（g）⇌Fe（s）+3CO2（g）
开始（mol）： 1 1 1 1
变化（mol）： n n n n
平衡（mol）： 1-n 1-n 1+ n 1+ n
所以K=
（1）0.1mol/LNa2CO3溶液呈______（填“酸性”、“碱性”或“中性”），其原因是______（用离子方程式表示）
（2）氢氧燃料电池是利用氢能的一种重要方式．请写出氢氧燃料（电解质溶液为KOH溶液）的负极的电极反应式______．
（3）某温度下的水溶液中，c（H+）=10-xmol/L，c（OH-）=10-ymol/L．x与y的关系如图1所示：该温度下水的离子积为______；该温度下0.01mol/L NaOH溶液的pH为______．
（4）如图2装置，已知两电极上发生的电极反应分别为：a极：Cu2++2e-=Cu b极：Fe-2e-=Fe2+该装置中原电解质溶液一定含有______ （填序号）
A． Cu2+ B．Na+ C．Fe2+ D． Ag+
（5）硫酸钡在水中存在沉淀溶解平衡：BaSO4（s）⇌Ba 2+ （aq）+SO42-（aq） 25℃时，BaSO4的Ksp=1.1×l0-10，在0.1mol•L一1硫酸溶液中，钡离子的浓度最大可达到______mol•L一1．
正确答案
（1）Na2CO3为强碱弱酸盐，溶液中CO32-水解呈碱性，水解离子方程式为CO32-+H2O⇌HCO3-+OH-，
故答案为：碱性； CO32-+H2O⇌HCO3-+OH-；
（2）负极氢气失电子被氧化，电极反应式为2H2+4OH--4e-=4H2O，故答案为：2H2+4OH--4e-=4H2O；
（3）根据图象对应的横坐标和从坐标的数值可知Kw=c（OH-）×c（H+）=10-8×10-4=1×10-12，该温度下0.01mol/L NaOH溶液中c（H+）=
故答案为：1×10-12； 10；
（4）根据电极方程式可知溶液中应含有Cu2+，故答案为：A；
（5）Ksp=1.1×l0-10=c（SO42-）×c（Ba2+），c（Ba2+）=
火力发电厂释放出大量氮氧化物（NOx）、SO2和CO2等气体会造成环境问题。对燃煤废气进行脱硝、脱硫和脱碳等处理，可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的。
（1）脱硝。利用甲烷催化还原NOx：
CH4(g）＋ 4NO2(g）＝4NO(g）＋ CO2(g）＋ 2H2O(g） △H1＝－574 kJ·mol－1 ①
CH4(g）＋ 4NO(g）＝2N2(g）＋ CO2(g）＋ 2H2O(g） △H2＝－1160 kJ·mol－1 ②
甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为 。
（2）脱碳。将CO2转化为甲醇：CO2(g)＋3H2(g)
①在一恒温恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2进行上述反应。测得CO2和CH3OH(g)浓度随时间变化如图1所示。回答：0～10 min内，氢气的平均反应速率为 mol/(L·min)；第10 min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，则平衡 （填“正向”、“逆向”或“不”）移动。
②如图2，25℃时以甲醇燃料电池（电解质溶液为稀硫酸）为电源来电解300mL 某NaCl溶液，正极反应式为 。在电解一段时间后，NaCl溶液的pH值变为13（假设NaCl溶液的体积不变），则理论上消耗甲醇的物质的量为 mol。
③取五份等体积的CO2和H2的混合气体（物质的量之比均为1∶3），分别加入温度不同、容积相同的恒容密闭容器中，发生上述反应，反应相同时间后，测得甲醇的体积分数φ（CH3OH）与反应温度T的关系曲线如图3所示，则上述CO2转化为甲醇的反应的△H3 0（填“＞”、“＜”或“＝”）。
（3）脱硫。燃煤废气经脱硝、脱碳后，与一定量氨气、空气反应，生成硫酸铵。硫酸铵水溶液呈酸性的原因是 (用离子方程式表示)；室温时，向(NH4)2SO4,溶液中滴人NaOH溶液至溶液呈中性，则所得溶液中微粒浓度大小关系c(Na＋） c(NH3·H2O)。（填“＞”、“＜”或“＝”）
正确答案
（1）CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-867 kJ•mol-1（2分）
（2）①0.225 （2分）；正向（2分）
②O2 + 4e－+ 4H+＝2H2O（2分）；0.005 （2分）；
③＜（2分）
（3）NH4++H2O
试题分析：（1）根据盖斯定律，将①+②相加除以2即得所求方程式，所以甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为CH4（g）+2NO2（g）=N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-867 kJ•mol-1
（2）①由图1知甲醇的浓度在10min内增加0.75mol/L，所以氢气浓度减少3×0.75mol/L，0～10 min内，氢气的平均反应速率为3×0.75mol/L/10min="0.225" mol/(L·min)；向该密闭容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，反应物浓度增大，平衡正向移动；
②正极发生还原反应，氧气得电子结合氢离子成为水，电极反应式为O2 + 4e－+ 4H+＝2H2O；NaCl溶液的pH值变为13，说明c（NaOH）=0.1mol/L,其物质的量为0.03mol，说明生成氯气0.015mol，转移电子0.03mol，根据得失电子守恒，每消耗1mol甲醇的物质的量是0.005mol；
③图3的最高点意味着达平衡时甲醇的体积分数，随温度升高，甲醇体积分数减小，说明升温平衡逆向移动，所以正向为放热反应，△H3<0;
（3）硫酸铵水溶液呈酸性的原因是铵根离子水解使溶液显酸性，离子方程式为NH4++H2O
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