- 原电池工作原理的实验探究
- 共4125题
（l）铝与某些金属氧化物在高温下的反应称为铝热反应，可用于冶炼高熔点金属．
已知：4Al（s）+3O2（g）═2Al2O3（s）△H=-2830kJ•mol-1Fe2O3(s)+
铝与氧化铁发生铝热反应的热化学方程式是______．
（2）如图1所示，各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是______；
装置②中Cu电极上的电极反应式为______．
（3）钒（V）及其化合物广泛应用于新能源领域．全钒液流储能电池是利用不同价态离子对的氧化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，其原理如图2所示．
①当左槽溶液逐渐由黄变蓝，其电极反应式为______．
②充电过程中，右槽溶液颜色逐渐由______色变为______色．
正确答案
（1）①4Al（s）+3O2（g）═2Al2O3（s）△H=-2830kJ•mol-1，
②Fe2O3（s）+
③C（s）+O2（g）═CO2（g）△H=-390kJ•mol-1，
由盖斯定律可知，①×
则△H=（-2830kJ•mol-1）×
故答案为：2Al（s）+Fe2O3（s）=Al2O3（s）+2Fe（s）△H=-600kJ/mol；
（2）①发生化学腐蚀，②中构成原电池，且Fe为负极，③构成原电池，但Fe为正极，所以铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是②＞①＞③；
装置②中Cu电极上氧气得电子，发生吸氧腐蚀的电极反应，电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-，
故答案为：②＞①＞③；O2+2H2O+4e-=4OH-；
（3）①溶液逐渐由黄变蓝，则VO2+得电子生成VO2+，电极反应为VO2++2H++e-=VO2++H2O，故答案为：VO2++2H++e-=VO2++H2O；
②原电池中左边为正极，右边为负极，则充电时，右槽为阴极，发生还原反应，则V3+得到电子生成V2+，观察到充电时右槽溶液颜色逐渐由绿色变为紫色，
故答案为：绿；紫．
下列三个反应在某密闭容器中进行：
反应①Fe（s）+CO2（g）⇌FeO（s）+CO（g）△H1=a kJ•mol-1
反应②2CO（g）+O2（g）⇌2CO2（g）△H2=b kJ•mol-1
反应③2Fe（s）+O2（g）⇌2FeO（s）△H3
（1）则△H3=______（用含a、b的代数式表示）
（2）已知500℃时反应①的平衡常数K=1.0，在此温度下2L密闭容器中进行反应①，Fe和CO2的起始量均为2.0mol，达到平衡时CO2的转化率为______
（3）将上述平衡体系升温至700℃，再次达到平衡时体系中CO的浓度是CO2浓度的两倍，则a______0（填“＞”、“＜”或“=”）．为了加快化学反应速率且使体系中CO的物质的量增加，其它条件不变时，可以采取的措施有______（填序号）．
A．缩小反应器体积 B．再通入CO2 C．升高温度 D．使用合适的催化剂
（4）最近一些科学家研究采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H+）实现氮的固定--氨的电解法合成，大大提高了氮气和氢气的转化率．总反应式为：N2+3H2
（5）在25℃下，将a mol•L-1的氨水与0.01mol•L-1的盐酸等体积混合，反应后溶液中c（NH4+）=c（Cl-），则溶液显______性（填“酸”“碱”或“中”），可推断 a______0.01（填大于、等于或小于）．
正确答案
（1）根据盖斯定律，反应③=①×2+②，所以△H3=2△H1+△H2=（2a+b）kJ•mol-1，故答案为：（2a+b）kJ•mol-1；
（2）设二氧化碳的变化浓度是x
Fe（s）+CO2（g）⇌FeO（s）+CO（g）
初始浓度：1 0
变化浓度：x x
平衡浓度：1-x x
根据500℃时反应①的平衡常数K=1.0，则
（3）上述平衡体系升温至700℃，再次达到平衡时体系中CO的浓度是CO2浓度的两倍，则升高温度化学平衡正向移动了，所以反应是吸热反应，为了加快化学反应速率且使体系中CO的物质的量增加，则反应速率加快且平衡正向移动，A．缩小反应器体积，即加大压强，速率加快，但是平衡不移动，故A错误；
B．再通入CO2 则速率加快，平衡正向移动，CO的物质的量增加，故B正确；
C、升高温度则速率加快，平衡正向移动，CO的物质的量增加，故C正确；
D．使用合适的催化剂则速率加快，但是平衡不移动，故D错误．
故选BC．
（4）跟据总反应式：N2+3H2
（5）a mol•L-1的氨水与0.01mol•L-1的盐酸等体积混合，反应后溶液中c（NH4+）=c（Cl-），根据电荷守恒：c（H+）=c（OH-），所以为中性，若二者恰好反应，则溶液显示酸性，反应后的溶液中一定有酸性的氯化铵，所以氨水要过量，即a＞0.01mol/L，故答案为：中；大于．
二甲醚（CH3OCH3）是一种清洁、高效、具有优良的环保性能的可燃物，被称为21世纪的新型能源．工业制备二甲醚的生产流程如图1：
催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度300℃）进行下列反应：
①CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH3OH（g）⇌CH3OCH3（g）+H2O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）△H=-41.2kJ/mol
（1）催化反应室中的总反应：3CO（g）+3H2（g）⇌CH3OCH3（g）+CO2（g）．
该反应的△H=______．催化反应室中采用300℃的反应温度，理由是______．
（2）已知：反应①在300℃时的化学平衡常数为0.27．该温度下将2mol CO、3mol H2和2mol CH3OH充入容积为2L的密闭容器中，此时反应将______（填“正向进行”、“逆向进行”或“处于平衡状态”）．
（3）上述流程中二甲醚精制的实验操作名称为______．
（4）图2为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图．a电极的电极反应式为______．
正确答案
（1）已知：①CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）△H=-90.7kJ/mol，
②2CH3OH（g）⇌CH3OCH3（g）+H2O（g）△H=-23.5kJ/mol，
③CO（g）+H2O（g）⇌CO2（g）+H2（g）△H=-41.2kJ/mol，
由盖斯定律可知，①×2+②+③得3CO（g）+3H2（g）⇌CH3OCH3（g）+CO2（g）△H=-246.1kJ/mol，
反应放热，高温不利用原料的利用，温度低原料利用率高，但反应较慢，不利于实际生产，采用300℃的反应温度，目的提高化学反应速率．
故答案为：-246.1kJ/mol；提高化学反应速率；
（2）该温度下将2mol CO、3mol H2和2mol CH3OH充入容积为2L的密闭容器中，此时c（CO）=1mol/L，c（H2）=1.5mol/L，c（CH3OH）=1mol/L，浓度商Qc=
（3）二甲醚、乙醇、水为互溶的液体，沸点不同，采取蒸馏的方法将二甲醚分离，故答案为：蒸馏；
（4）反应本质是二甲醚的燃烧，原电池负极发生氧化反应，二甲醚在负极放电，正极反应还原反应，氧气在正极放电．由图可知，a极为负极，二甲醚放电生成二氧化碳与氢离子，a电极的电极反应式为 CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+，故答案为：CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+．
硝酸是一种重要的化工原料，工业上一般以氨气为原料来制备硝酸．请回答：
（1）氨气催化氧化的化学方程式为______．
（2）硝酸厂的尾气直接排放将污染空气，目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮的氧化物还原为氮气和水，反应机理为：
CH4（g）+4NO2（g）═4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-574kJ•mol-1
CH4（g）+4NO（g）═2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-1160kJ•mol-1
则甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为：______．
（3）氨气若在纯氧中燃烧，则发生反应为4NH3+3O2
（4）制得的硝酸可以跟金属铜反应生成硝酸铜溶液，用石墨电极电解该硝酸铜溶液，则电解过程中阳极的电极反应式为______．
正确答案
（1）NH3与O2在催化剂、加热条件下发生反应生成NO和H2O：4NH3+5O2
（2）①CH4（g）+4NO2（g）→4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-574kJ•mol-1
②CH4（g）+4NO（g）→2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）△H=-1160kJ•mol-1
根据盖斯定律（①+②）×
（3）燃料电池中，燃料做负极，则通入氨气的电极是负极，碱性条件下，总反应：4NH3+3O2
4NH3+12OH--12e=2N2+12H2O，故答案为：负极；4NH3+12OH--12e=2N2+12H2O；
（4）Cu（NO3）2溶液中铜离子的放电能力大于氢离子的放电能力，所以铜离子先放电；氢氧根离子的放电能力大于硝酸根离子的放电能力，所以氢氧根离子先放电．阳极上失电子，发生氧化反应，所以氢氧根离子在阳极上失电子生成氧气：4OH--4e-=O2+2H2O；阴极上得电子，反应还原反应，所以铜离子的阴极上得电子生成铜：Cu2++2e-=Cu，
故答案为：4OH--4e-=O2+2H2O．
（1）实事证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理上可以设计成原电池的是______．
A．C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g）△H＞0
B．NaOH（aq）+HCl（aq）=NaCl（aq）+H2O（l）△H＜0
C．2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△H＜0
（2）以KOH溶液为电解质溶液，依据所选反应设计一个原电池，其负极反应的电极反应式为______．
（3）电解原理在化学工业中有着广泛的应用．现将你设计的原电池通过导线与如图中电解池相连，其中，a为电解液，X和Y是两块电极板，则：①若X和Y均为惰性电极，a为CuSO4溶液，则阳极的电极反应式为______，电解时的化学反应方程式为______，通过一段时间后，向所得溶液中加入0.2molCuO粉末，恰好恢复到电解前的浓度和pH，则电解过程中转移的电子的物质的量为______mol．②若X、Y依次为铜和铁，a仍为CuSO4溶液，且反应过程中未生成Fe3+，则Y极的电极反应式为______
③若用此装置电解精炼铜，______做阳极，电解液CuSO4的浓度______（填“增大”、“减小”或“不变”）．
④若用此装置在铁制品上镀铜，铁制品做______，电镀液的浓度______（填“增大”、“减小”或“不变”）．
正确答案
（1）A．C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g）△H＞0，为氧化还原反应，但为吸热反应，不能设计为原电池，故A错误；
B．NaOH（aq）+HC1（aq）=NaC1（aq）+H2O（1）△H＜0，不属于氧化还原反应，不能设计为原电池，故B错误；
C．2H2（g）+O2（g）=2H2O（1）△H＜0，为氧化还原反应，为放热反应，能设计为原电池，故C正确；
故答案为：C；
（2）以KOH溶液为电解质溶液，氢氧燃料碱性电池中，负极上氢气失去电子，负极反应为H2+2OH--2e-=2H2O，
故答案为：H2+2OH--2e-=2H2O；
（3）①电解硫酸铜溶液时，阳极上生成氧气，阴极上生成铜，同时溶液中生成硫酸，所以，阳极电极反应为：4OH--4e-=H2O+O2↑；电池反应式为：2CuSO4+2H2O
故答案为：4OH--4e-=H2O+O2↑；2CuSO4+2H2O
②若X、Y依次为铜和铁，a仍为CuSO4溶液，判断，X阴极，Y为阳极，且反应过程中未生成Fe3+，阳极铁失电子生成亚铁离子；Y极电极反应为：Fe-2e-=Fe2+，
故答案为：Fe-2e-=Fe2+；
③电极精炼铜是粗铜做阳极，精铜做阴极，含铜离子的盐溶液做电解质溶液，粗铜中含有的杂质金属铁、镍、锌等电解过程中也会失电子，所以电解质溶液中铜离子浓度减小，
故答案为：粗铜；减小；
④若用此装置在铁制品上镀铜，依据电镀原理，镀层金属铜做电解池的阳极，待镀物质铁做阴极，电解质溶液是含镀层金属离子铜离子的溶液；电极反应阳极：Cu-2e-=Cu2+；阴极电极反应：Cu2++2e-=Cu，反应电解质溶液浓度基本不变，故答案为：阴极；不变．
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