- 电极反应和电池反应方程式
- 共352题
近年来,由于温室效应和资源短缺等问题,关于CO2和碳酸盐应用的研究受到人们的重视。某研究小组利用反应:CO(g)+H2O(g) H2(g)+CO2(g) △H=-41.2 kJ·mol-1 ,制备CO2与H2 的混合气体,并进一步研究CO2与H2以不同的体积比混合时在合适条件下的反应产物应用。
(1) 已知:850℃时在一体积为10 L的恒容密闭容器中,通入一定量的CO和H2O,CO和H2O浓度变化如图所示:
下列说法正确的是_______(填序号)
A. 达到平衡时,氢气的物质的量是0.12mol
B. 达到平衡时,反应体系最终会放出49.44kJ热量
C. 第4min始,混合气体的平均相对分子质量不再变化
D. 第6min时,若升高温度,反应平衡常数会减小
E. 第8min时,若充入氦气,会导致v正(CO)<v逆(H2O)
(2) 850 ℃时,若在容积为2 L的密闭容器中同时充入1.0 mol CO,3.0 mol H2O,1.0 mol CO2和x mol H2。若要使上述反应开始时向正反应方向进行,则x应满足的条件是_______。
(3)研究小组采用碱液吸收一定量CO2的方法来提高混合气中H2与CO2的体积比。若以1L1.5 mol·L-1的NaOH溶液充分吸收了22.4L(已折算为标准状况下体积)CO2,则吸收后溶液中各离子浓度从大到小的顺序是_______。
(4) 如将H2 与CO2以4:1的体积比混合,在适当的条件下可制得CH4。已知:
CH4 (g) + 2O2(g) CO2(g)+ 2H2O(l) ΔH1=-890.3 kJ·mol-1
H2(g) + 1/2O2(g) H2O(l) ΔH2=-285.8 kJ·mol-1
则CO2(g)与H2(g)反应生成CH4(g)与液态水的热化学方程式是 _______。
(5) 熔融盐燃料电池(见图2)是以熔融碳酸盐为电解质,以CH4为燃料,空气为氧化剂,稀土金属材料为电极。已知负极的电极反应是CH4 +4CO32--8e-=5CO2+2H2O。正极的电极反应是_______。为了使该燃料电池长时间稳定运行,电池的电解质组成应保持稳定。为此电池工作时必须有部分A物质参加循环,则A物质的化学式是_______。实验过程中,若通入了标准状况下空气448 L(假设空气中O2体积分数为20%),则熔融盐燃料电池消耗标准状况下CH4_______L。
正确答案
(1)BD
(2)3>x≥0或 x<3
(3)c(Na+)> c(HCO3-)> c(CO32-)> c(OH-)> c(H+)
(4)CO2(g) + 4H2(g) CH4 (g)+ 2H2O(l) ΔH=-252.9 kJ·mol-1
(5)O2+2CO2+4e-=2CO32-(或2O2+4CO2+8e-=4CO32-);CO2;44.8
解析
(1)由图像看出,反应在4min达到平衡,平衡时消耗H2O、CO的物质的量浓度均为0.12 mol·L-1,故生成的H2和CO2的物质的量浓度也为0.12 mol·L-1,其物质的量为1.2mol,A项错误;有1.2molH2O参加反应,根据热化学方程式可计算放出的热量为1.2mol×41.2 kJ·mol-1=49.44kJ,B项正确;由于该反应体系中全部是气体,且气体物质的量不变,故混合气体的平均相对分子质量是恒量,不会随反应的进行而变化,C项错误;该反应为放热反应,升温平衡左移,化学平衡常数减小,D项正确;氦气为惰性气体,不会影响该反应的平衡状态,E项错误。
(2)若要使上述反应开始时向正反应方向进行,其浓度商应小于该温度下的平衡常数,即Q=<K= 解得x<3。
(3)通入CO2反应后所得溶液为等物质的量浓度的Na2CO3和NaHCO3的混合溶液,故其离子浓度大小顺序为c(Na+)> c(HCO3-)> c(CO32-)> c(OH-)> c(H+)。
(4)将已知的两个热化学方程式按顺序编号为①②,根据盖斯定律②×4-①可得热化学方程式:CO2(g) + 4H2(g) CH4 (g)+ 2H2O(l) ΔH=-252.9 kJ·mol-1。
(5)写出电池总反应方程式CH4+2O2=CO2+2H2O,减去负极的电极方程式可得正极电极方程式:2O2+4CO2+8e-=4CO32-;由正、负极电极式看出,参与循环的物质为CO2;由电池总方程式可得:消耗CH4的体积为448L××=44.8L。
知识点
二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源。由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备二甲醚,其中主要过程包括下列四个反应:
甲醇合成反应:
(i)CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H1=-90.1 kJ/mol
(ii)CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O △H2=-40.9 kJ/mol
水煤气变换反应:
(iii)CO(g)+H2O(g)= CO2(g)+H2(g) △H3=-41.1 kJ/mol
二甲醚合成反应:
(iv)2CH3OH(g)= CH3OCH3(g)+H2O △H4=-24.5 kJ/mol
回答下列问题:
(1)Al2O3是合成气直接制备二甲醚反应催化剂主要成分之一。工业上从铝土矿制备高纯Al2O的主要工艺流程是 。(用化学方程式表示)
(2)分析二甲醚合成反应(iv)对CO转化率的影响 。
(3)由H2和CO直接制备二甲醚(另一产物为水蒸气)的热化学方程式为 。根据化学反应原理,增加压强对直接制备二甲醚的反应的影响 。
(4)有研究者在催化剂(含Cu-Zn-Al-O、Al2O3)、压强在5.0Mpa条件下,由H2和CO直接制备二甲醚,结果如图所示。其中CO转化率随温度升高而降低的原因是 。
(5)二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg-1)。若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应为 。一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生 个电子的电量:该电池理论输出电压为1.20V,能量密度E= (列式计算,能量密度=电池输出电能/燃料质量)。
正确答案
(1)Al2O3+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4
NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3+NaHCO3、2 Al(OH)3Al2O3+3H2O
(2)消耗甲醇,促进甲醇合成反应(i)平衡向右移,CO转化率增大:生成的水通过水煤气变换反应(iii)消耗部分CO。
(3)2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3(g)+H2O △H=-204.7 kJ/mol;该反应分子数减小,压强升高使平衡右移,CO和H2转化率增大,CH3OCH3产率增加,压强升高使CO和H2浓度增大,反应速率加快。
(4)反应放热,温度升高,平衡左移。
(5)CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-;12;
解析
略
知识点
锌锰电池(俗称干电池)在生活中的用量很大。两种锌锰电池的构造图如图(甲)所示。
回答下列问题:
(1)普通锌锰电池放电时发生的主要反应为:
Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnOOH
① 该电池中,负极材料主要是________,电解质的主要成分是______,正极发生的主要反应是________。
② 与普通锌锰电池相比,碱性锌锰电池的优点及其理由是_______。
(2)图(乙)表示回收利用废旧普通锌锰电池的一种工艺(不考虑废旧电池中实际存在的少量其他金属)。
① 图(乙)中产物的化学式分别为A_______,B________。
② 操作甲中得到熔块的主要成分是K2MnO4。操作b中,绿色的K2MnO4溶液反应后生成紫色溶液和一种黑褐色固体,该反应的离子方程式为_______。
③ 采用惰性电极电解K2MnO4溶液也能得到化合物D,则阴极处得到的主要物质是________。(填化学式)
正确答案
答案:
(1)①Zn;NH4Cl;
MnO2+e-+NH4+===MnOOH+NH3
(2)碱性电池不容易发生电解质溶液泄漏,因为消耗的负极改装在电池的内部;
碱性电池使用寿命长,因为金属材料在碱性电解质比在酸性电解质的稳定性好;
(3)ZnCl2; NH4Cl;
①3MnO42-+2CO2===2MnO4-+MnO2+2CO32-;
②H2;
解析
略
知识点
铁及其化合物与生产、生活关系密切。
(1)下图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。
①该电化腐蚀称为________。
②图中A、B、C、D四个区域,生成铁锈最多的是________(填字母)。
(2)用废铁皮制取铁红(Fe2O3)的部分流程示意图如下:
①步骤I若温度过高,将导致硝酸分解。硝酸分解的化学方程式为________。
②步骤II中发生反应:4Fe(NO3)2+O2+(2n+4)H2O=2Fe2O3·nH2O+8HNO3,反应产生的HNO3又将废铁皮中的铁转化为Fe(NO3)2,该反应的化学方程式为________。
③上述生产流程中,能体现“绿色化学”思想的是________(任写一项)。
(3)已知t℃时,反应FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)的平衡常数K=0.25。
①t℃时,反应达到平衡时n(CO):n(CO2)=________。
②若在1 L密闭容器中加入0.02 mol FeO(s),并通入xmolCO,t℃时反应达到平衡。此时FeO(s)转化率为50%,则x=________。
正确答案
(1)①吸氧腐蚀 ②B
(2)①4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O;②4Fe+10HNO3=4 Fe(NO3)2+NH4NO3+3H2O;③氮氧化物排放少(或其他合理答案)
(3)①4:1;②0.05
解析
略。
知识点
NOx是汽车尾气中的主要污染物之一。
(1) NOx能形成酸雨,写出NO2转化为HNO3的化学方程式:_ .
(2)汽车发动机工作时会引发N2和02反应,其能量变化示意图如下:
①写出该反应的热化学方程式: _ .
②随温度升高,该反应化学平衡常数的变化趋势是_ .。
(3)在汽车尾气系统中装置催化转化器,可有效降低NOX的排放。
①当尾气中空气不足时,NOX在催化转化器中被还原成N2排出。写出NO被CO还原的化学方程式:_ .
② 当尾气中空气过量时,催化转化器中的金属氧化物吸收NOX生成盐。其吸收能力顺序如下:12MgO <2oCaO <38SrO<56BaO.原因是 .,元素的金属性逐渐增强,金属氧化物对NOX的吸收能力逐渐增强。
(4)通过NOx传感器可监测NOx的含量,其工作原理示意图如下:
①Pt电极上发生的是 反应(填“氧化”或“还原”)。
②写出NiO电极的电极反应式: 。
正确答案
答案:(1)3NO2+2H2O=2HNO3+NO;
(2)①、N2(g)+O2(g)=2NO(g) △H=+183KJ/mol;
②、增大;
(3)①、2NO+2CON2+2CO2
②、由Mg、Ca、Sr、Ba的质子数可知,它们均处于第ⅡA族,同一主族自上而下,原子半径增大;
(4)①、还原;
②、NO+O2--2e-=NO2;
解析
(1)NO2与H2O反应生成HNO3与NO;
(2)①、△H=945kJ/mol+498kJ/mol-2×630KJ/mol=+183KJ/mol;
②、该反应正反应是吸热反应,升高温度,平衡向正反应移动,化学平衡常数增大;
(3)①、NO被CO还原N2,CO被氧化为CO2;
②、由Mg、Ca、Sr、Ba的质子数可知,它们均处于第ⅡA族,同一主族自上而下,原子半径增大,金属性增强;
(4)①、由工作原理示意图可知,O2在Pt电极发生还原反应生成O2-;
②、在O2-参加反应下,NO在NiO电极发生氧化反应生成NO2。
知识点
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