- 原电池工作原理的实验探究
- 共4125题
随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2，引起了各国的普遍重视。
(1)目前工业上有一种方法是用CO2来生产燃料甲醇。为探究该反应原理，现进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1 mol CO2和3.25 mol H2，在一定条件下发生反应，测定CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的浓度随时间变化如下图所示：
①写出该工业方法制取甲醇的化学方程式___。
②从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v(H2)=____mol/(L·min)。 平衡时CO2的转化率为____。
③该条件下反应的平衡常数K的值为____。当温度降低时K变大，则该反应的△H____0（填“>”“<”或“=”）。
④下列措施中能使n(CH3OH)/n(CO2)增大的是____。
A．升高温度
B．充入氦气
C．将水蒸气从体系中分离
D．用更有效的催化剂
(2)选用合适的合金作为电极，以氢氧化钠、甲醇、水、氧气为原料，可以制成一种 以甲醇为原料的燃料电池，此燃料电池负极应加入或通入的物质是____； 正极的电极方程式为___。
正确答案
(1)①CO2+3H2
(2)甲醇、氢氧化钠、水（答出甲醇即可） ；O2+4e-+2H2O=4OH-
氮是地球上含量丰富的一种元素，氨和肼（N2H4）是氮的两种常见化合物，在科学技术和生产中有重要的应用。
Ⅰ.（1）N2H4中的N原子最外层达到8电子稳定结构，写出N2H4的结构式_____________。
（2）NH3与NaClO反应可得到肼（N2H4），该反应的化学方程式为 。
（3）肼是一种高能燃料，有关化学反应的能量变化如右图所示，写出肼燃烧的热化学方程式 。
Ⅱ.氨的合成是最重要的化工生产之一。已知：
N2（g）＋3H2（g）
在3个体积均为2L的密闭容器中，在相同的温度下，使用相同的催化剂合成氨，实验测得反应在起始、达到平衡时的有关数据如下表所示：
试回答：
（1）下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是______________（填写序号字母）。
a．容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1︰3︰2
b．v（N2）正＝3v（H2）逆
c．容器内压强保持不变
d．混合气体的密度保持不变
（2）分析上表数据，下列关系正确的是_________（填写序号字母）。
（3）容器乙中反应从开始到达平衡平均速率为v(H2)= _____________。
III.直接供氨式碱性燃料电池的电池反应式是4NH3+3O2=2N2+6H2O，电解质溶液一般使用KOH溶液，则负极电极反应式是__________ 。
正确答案
Ⅰ．（1）
（2） 2NH3+NaClO＝N2 H4+NaCl+H2O（2分）
（3）N2 H4(g) + O2(g) = N2(g) + 2H2O(g ) ΔH＝－534 kJ·mol－1（2分）
Ⅱ．（1）C（2分）
（2）A C D（3分）
（3）0.3 mol·L-1·min-1（2分）
III．2NH3 + 6OH- + 6e- = N2 + 6H2O（2分）
试题分析：Ⅰ．（1）N2H4中的N原子可达到8电子的稳定结构，氮原子最外层3个电子形成三对共用电子对，和未成键的一对电子形成8电子稳定结构，每个氮原子和两个氢原子形成共价键，氮原子间形成一个共价键，结构式为：
⑵NH3与NaClO反应可得到肼（N2H4），该反应的化学方程式为：2NH3+NaClO＝N2 H4+NaCl+H2O，答案：2NH3+NaClO＝N2 H4+NaCl+H2O；⑶从图中读出，△H=22218kJ·mol－1-2752kJ·mol－1=－534 kJ·mol－1，所以肼燃烧生成气态水的热化学方程式为：N2 H4(g) + O2(g) = N2(g) + 2H2O(g ) ΔH＝－534 kJ·mol－1，答案：N2 H4(g) + O2(g) = N2(g) + 2H2O(g ) ΔH＝－534 kJ·mol－1；
Ⅱ．⑴A、应用速率之比来判断，反应过程中按照比例进行反应，故A不能判断该反应达到化学平衡状态；B、按照速率之比等于系数之比，表述的是正反应速率，当某种物质的正反应速率和逆反应速率相等是表明反应达到平衡，所以当3v（N2）正=v（H2）逆 时反应达到平衡，故B不能判断该反应达到化学平衡状态；C、当容器内压强保持不变，说明反应达到平衡，故C能判断该反应达到化学平衡状态；反应体系内质量守恒，体积一定，故混合气体的密度不变，所以混合气体的密度保持不变，不能说明反应达到平衡，故D不能判断该反应达到化学平衡状态；答案：C。
⑵A、正确，先用1.5L的容器进立与乙等效平衡，然后放大到3L，平衡向生成N2的方向即逆方向移动，所以2c1>1.5 mol·L ―1; B、不正确，丙等效于3molH2,1molN2从正确向建立平衡，甲多加了1molN2，平衡正向移动；C、正确，反应体系内质量守恒，体积一定，混合气体的总质量甲是乙的2倍，所以混合气体的密度，2ρ1=ρ2；D、正确，温度不变，平衡常数不变，K甲= K乙= K丙。答案：A C D。
⑶v(H2)= 3v(N2)=
III.NH3作还原剂，生成1molN2失去6mol电子，用OH―调节使方程式两边电荷守恒，负极反应，2NH3 + 6OH- + 6e- = N2 + 6H2O，答案：2NH3 + 6OH- + 6e- = N2 + 6H2O
（14分）美国Bay等工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气，其生产流程如下图：
（1）此流程的第II步反应为：CO(g)＋H2O(g)
温度/℃
400
500
830
平衡常数K
10
9
1
从上表可以推断：此反应是 （填“吸”或“放”）热反应。在830℃下，若开始时向恒容密闭容器中充入1mo1CO和2mo1H2O，则达到平衡后CO的转化率为 。
（2）在500℃，以下表的物质的量（按照CO、H2O、H2、CO2的顺序）投入恒容密闭容器中进行上述第II步反应，达到平衡后下列关系正确的是
实验编号
反应物投入量
平衡时H2浓度
吸收或放出的热量
反应物转化率
A
1、1、0、0
c1
Q1
α1[来源:]
B
0、0、2、2
c2
Q2
α2
C
2、2、0、0
c3
Q3
α3
A．2c1= c2 =c3 B．2Q1=Q2=Q3 C．α1 =α2 =α3 D．α1 +α2 ="1"
（3）在一个绝热等容容器中，不能判断此流程的第II步反应达到平衡的是 。
①体系的压强不再发生变化 ②混合气体的密度不变
③混合气体的平均相对分子质量不变 ④各组分的物质的量浓度不再改变
⑤体系的温度不再发生变化 ⑥v(CO2)正＝v(H2O)逆
（4）下图表示此流程的第II步反应，在t1时刻达到平衡、在t2时刻因改变某个条件浓度发生变化的情况：图中t2时刻发生改变的条件是 、
（写出两种）。若t4时刻通过改变容积的方法将压强增大为原先的两倍，在图中t4和t5区间内画出CO、CO2浓度变化曲线，并标明物质（假设各物质状态均保持不变）。
正确答案
（1）放；66.7%（2）AD （3）②③（4）降低温度，或增加水蒸汽的量，或减少氢气的量；（每格2分）
（1）温度越高，平衡常数越小，所以正反应是放热反应。
CO(g)＋H2O(g)
起始量（mol） 1 2 0 0
转化量（mol） x x x x
平衡量（mol） 1－x 2－x x x
根据平衡常数知
解得x＝2/3，所以平衡后CO的转化率为是66.7％。
（2）因为反应前后体积，即改变压强平衡不会发生移动，根据所给的反应物投入量来看ABC就是等效的，虽然氢气的含量，但氢气的浓度不同，其中BC相等且都是A的2倍。根据500℃平衡常数可计算出A中反应物的转化率均是75％【计算方法同（1）】，即平衡时A中CO、H2O、H2、CO2分别是0.25mol、0.25mlol、0.75mol、0.75mol，则平衡时B、C中CO、H2O、H2、CO2分别都为0.5mol、0.5mol、1.5mol、1.5mol。即B、C中转化率分别是25％和75％。A中放热Q1，所以反应热是－2Q1kJ·mol－1。则C中放热2Q1，B中吸热Q1。答案AD正确。
（3）因为体系绝热，而反应是放热反应，所以压强会发生变化，①⑤可以。反应前后气体质量和容器的体积均不发生变化，所以密度不变，②不可以。反应前后气体质量和物质的量均不发生变化，所以相对分子质量不变，③不可以。④⑥符合化学平衡的概念正确。答案是②③。
（4）由图像可知t2时刻CO浓度减小，CO2浓度增大，因此改变的条件是降低温度，或增加水蒸汽的量。t4时刻通过改变容积的方法将压强增大为原先的两倍，平衡不移动，但物质的浓度均增大，都变为原来大2倍，如图所示：
将洁净的金属片Fe、Zn、A、B 分别与Cu用导线连接浸在合适的电解质溶液里．实验并记录电压指针的移动方向和电压表的读数如下表所示：
根据以上实验记录，完成以下填空：
（1）构成两电极的金属活动性相差越大，电压表的读数越______（填“大”、“小”）．
Zn、A、B三种金属活动性由强到弱的顺序是______．
（2）Cu与A组成的原电池，______为负极，此电极反应式为（失去电子数用ne-表示______．
（3）A、B形成合金，露置在潮湿空气中，______先被腐蚀．
正确答案
（1）Fe、Zn分别与Cu、电解质溶液形成原电池时，由表可知：前者的电压小，后者的电压大，而锌的活泼性大于铁，即金属活动性相差越大，电压表的读数越大，根据原电池中，电子经导线从活泼金属流向不活泼金属，由表可知：金属活泼性：Cu＞A，B＞Cu，金属活动性相差越大，电压表的读数越大，可知Zn＞B，所以金属的活泼性：Zn＞B＞A，
故答案为：大；Zn＞B＞A；
（2）由第三组数据可知电压为负值，说明电流的方向是相反的，即Cu→A构成原电池，Cu为负极，失去电子，电极反应式：Cu-2e-=Cu2+，
故答案为：Cu；Cu-2e-=Cu2+；
（3）根据原电池中，活泼金属做负极，被腐蚀，由（1）可知金属的活泼性：B＞A，即B先被腐蚀，故答案为：B．
有A、B、C、D四种短周期元素，其原子序数依次增大．A、B可形成A2B和A2B2两种化合物，B、C同主族且可形成CB2和CB3两种化合物．回答下列问题．
（1）A2B2的电子式为______．
（2）CB2通入A2B2溶液中可被氧化为W，用W的溶液（体积为1L，假设变化前后溶液体积变化忽略不计）组装成原电池（如图所示）．在b电极上发生的反应可表示为：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O，则在a电极上发生的反应可表示为______．
（3）金属元素E是中学化学常见元素，位于元素周期表的第四周期．该元素可与D形成ED2和ED3两种化合物．将E的单质浸入ED3溶液中（如图甲所示），溶液由黄色逐渐变为浅绿色，该反应的离子方程式为______．
（4）依据（3）中的反应，可用单质E和石墨为电极设计一个原电池，则在该原电池工作时，石墨一极发生的反应可以表示为______．比较甲、乙两图，说明石墨除形成闭合回路外所起的作用是______．
正确答案
A、B可形成A2B和A2B2两种化合物，可能为H2O、H2O2或Na2O、Na2O2，A、B、C、D四种短周期元素，其原子序数依次增大，则A为H元素，B为O元素，B、C同主族且可形成CB2和CB3两种化合物，应为SO2和SO3，则C为S元素，D应为Cl元素．
（1）A2B2为H2O2，为共价化合物，电子式为
，故答案为：
；
（2）CB2通入A2B2溶液中可被氧化为W，则w为H2SO4，形成铅蓄电池，负极反应为Pb-2e-+SO42-=PbSO4，
故答案为：Pb-2e-+SO42-=PbSO4；
（3）金属元素E是中学化学常见元素，位于元素周期表的第四周期．该元素可与D形成ED2和ED3两种化合物，则E为Fe元素，将Fe浸入到FeCl3中，发生反应为Fe+2Fe3+=3Fe2+，溶液由黄色逐渐变为浅绿色，
故答案为：Fe+2Fe3+=3Fe2+；
（4）石墨--铁在氯化铁电解质溶液中形成原电池，铁做负极，发生反应为Fe-2e-=Fe2+，在正极上得电子被还原，发生反应为2Fe3++2e-=2Fe2+，氧化反应和还原反应分别在不同极上发生．
故答案为：2Fe3++2e-=2Fe2+；使还原反应和氧化反应在电解质溶液中的不同区域内发生．
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