高中化学化学电源新型电池试题

燃料电池不是把还原剂、氧化剂全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池。下面有4种燃料电池的工作原理示意图，其中正极的反应产物为水的是

二甲醚(CH₃OCH₃)是一种重要的清洁燃料气，其储运、燃烧安全性、理论燃烧温度等性能指标均优于液化石油气，也可用作燃烧电池，具有很好的发展前景。
（1）已知H₂、CO和CH₃OCH₃的燃烧热(ΔH)分别为-285.5kJ/mol、-283kJ/mol和-1460.0 kJ/mol，则工业上利用水煤气成分按1:1合成二甲醚的热化学方程式为：____________。
（2）工业上采用电浮远凝聚法处理污水时，保持污水的pH在5.0，通过电解生成Fe(OH)₃胶体，吸附不溶性杂质，同时利用阴极产生的H₂，将悬浮物带到水面，利于除去。实验室以二甲醚燃料电池模拟该方法设计的装置如下图所示：

①乙装置以熔融碳酸盐为电解质，稀土金属材料为电极。写出该燃料电池的正极电极反应式__________________；下列物质可用做电池熔融碳酸盐的是______。
A．MgCO₃     B．Na₂CO₃      C．NaHCO₃         D．(NH₄)₂CO₃
②写出甲装置中阳极产物离子生成Fe(OH)₃沉淀的离子方程式____________________。
③已知常温下K_sp[Fe(OH)₃]=4.0×10^-38，电解一段时间后，甲装置中c(Fe³⁺)= ___________。
④已知：H₂S的电离平衡常数：K₁=9.1×10^-8、K₂=1.1×10^-12；H₂CO₃的电离平衡常数：K₁=4.31×10^-7、K₂=5.61×10^-11。测得电极上转移电子为0.24mol时，将乙装置中生成的CO₂通入200mL 0.2mol/L的Na₂S溶液中,下列选项正确的是______
A．发生反应的离子方程式为：CO₂+S^2-+H₂O=CO₃^2-+H₂S
B．发生反应的离子方程式为：CO₂+S^2-+H₂O=HCO₃^-+HS^-
C．c(Na⁺)=2[c(H₂S)+c(HS^-)+c(S^2-)
D．c(Na⁺)+c(H⁺)=2c(CO₃^2-)+2c(S^2-)+c(OH^-)
E．c(Na⁺)>c(HCO₃^-)>c(HS^-)>c(OH^-)

金属单质及其化合物与工农业生产、日常生活有密切的联系。请回答下列问题：
（1）一定条件下，用Fe₂O₃、NiO或Cr₂O₃作催化剂，利用如下反应回收燃煤烟气中的硫。反应为：2CO（g）+SO₂（g）2CO₂（g）+S（l）△H=-270kJ∙mol^-1
其他条件相同、催化剂不同时，SO₂的转化率随反应温度的变化如图1，不考虑催化剂的价格因素，选择   为该反应的催化剂较为合理。（选填序号）
a.Cr₂O₃         b.NiO         c.Fe₂O₃
选择该催化剂的理由是：        。
某科研小组用选择的催化剂，在380℃时，研究了n（CO） : n（SO₂）分别为1:1、3:1时，SO₂转化率的变化情况（图2）。则图2中表示n（CO） : n（SO₂）＝3:1的变化曲线为      。

（2）科研小组研究利用铁屑除去地下水中NO₃^-的反应原理。
①pH＝2.5时，用铁粉还原KNO₃溶液，相关离子浓度、pH随时间的变化关系如图3（部分副反应产物曲线略去）。请根据图中信息写出t₁时刻前发生反应的离子方程式       ；t₁时刻后，反应仍在进行，溶液中NH₄⁺的浓度在增大，Fe^2＋的浓度却没有明显变化，可能的原因是     。
②若在①的反应中加入活性炭，可以提高除去NO₃^-的效果，其原因可能是       。正常地下水中含有CO₃^2－，会影响效果，其原因有：a．生成FeCO₃沉淀覆盖在反应物的表面，阻止了反应的进行；b．     。
（3）LiFePO₄电池具有稳定性高、安全、环保等优点，可用于电动汽车。电池反应为：FePO₄+LiLiFePO₄，电池的正极材料是LiFePO₄，负极材料是石墨，含Li⁺导电固体为电解质。放电时电池正极反应为     。

高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途。湿法、干法制备高铁酸盐的原理如下表所示。

湿法	强碱性介质中，Fe（NO3）3与NaClO反应生成紫红色高铁酸盐溶液
干法	Fe2O3、KNO3、KOH混合加热共熔生成紫红色高铁酸盐和KNO2等产物

（1）工业上用湿法制备高铁酸钾（K₂FeO₄）的流程如下图所示：

①反应I的化学方程式为             。
②反应II的离子方程式为            。
③进行溶解，沉淀、洗涤这些操作的共同目的是                  。
（2）高铁酸钾是一种理想的水处理剂，其处理水的原理为________________。
（3）湿法、干法制备K₂FeO₄的反应中均利用的是+3价Fe元素的           性质。
（4）高铁电池是正在研制中的可充电干电池，下图为该电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出的高铁电池的优点有            。

北京奥运会“祥云”火炬燃料是丙烷（C₃H₈），亚特兰大奥运会火炬燃料是丙烯（C₃H₆）。
（1）丙烷脱氢可得丙烯。
已知：C₃H₈(g )→CH₄(g)＋HC≡H(g)＋H₂(g）  △H₁ =+156．6 kJ·mol^－1
CH₃CH＝H₂(g)→CH₄(g)＋HC≡CHg ）  △H₂ =+32．4 kJ·mol^－1
则相同条件下，反应C₃H₈(g)→CH₃CH＝CH₂(g)＋H₂(g）的△H＝        kJ·mol^－1。
（2）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐。电池反应方程式为           ；放电时CO₃^2－移向电池的       （填“正”或“负”）极。
（3）碳氢化合物完全燃烧生成CO₂和H₂O。常温常压下，空气中的CO₂溶于水，达到平衡时，溶液的pH=5．60，c(H₂CO₃)=1．5×10^-5 mol·L^-1。若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则H₂CO₃HCO₃^－＋H^＋的平衡常数K₁=       。（已知10^-5．60=2．5×10^-6）

“海底黑烟囱”是海底热泉将地壳深处金属、非金属化合物带出时逐渐沉积形成的烟囱状通道，含有铜、锌、锰、钻、镍等金属的硫化物及金、银、铂等贵金属。“海底黑烟囱”的研究对海底矿产资源的勘探及金属硫化物成矿过程的认识均有极大的推动作用。
（1）“烟囱”周围的水样中发现了中子数是1，质子数是2的核素，该核素符号是                。
（2）“烟囱”内壁含有的结晶黄铁矿（主要成分是FeS₂）在一定条件下发生如下反应：14CuSO₄＋5FeS₂＋12H₂O﹦7X＋5FeSO₄＋12H₂SO₄，X的化学式是              ，氧化剂是             。
（3）“烟囱”外壁含有石膏（CaSO₄﹒2H₂O），在1400 ⁰C时能分解生成CaO，水蒸气和另外两种气体，其中一种气体可使品红溶液褪色。写出1400℃时石膏分解的化学方程式                。
（4）“烟囱”底部存在的难溶物ZnS遇CuSO₄溶液会慢慢转化为铜蓝(CuS）。根据沉淀溶解平衡理论写出由ZnS转化为CuS的离子方程式               ；
（5）“烟囱”中含有钻元素，LiCoO₂可用作一种锂离子电池的正极材料。该锂离子电池充电过程中，负极发生的反应为6C＋xLi^＋＋xe-﹦Li_xC₆，正极发生LiCoO₂与Li_1-xCoO₂之间的转化，写出放电时电池总反应方程式              。

硫化氢(H₂S)是一种有毒的可燃性气体，用H₂S、空气和KOH溶液可以组成燃料电池，其总反应式为2H₂S+3O₂+4KOH==2K₂SO₃+4H₂O。
（1）该电池工作时正极应通入           。
（2）该电池的负极电极反应式为：                   。
（3）该电池工作时负极区溶液的pH        （填“升高”“不变”“降低”）
（4）有人提出K₂SO₃可被氧化为K₂SO₄，因此上述电极反应式中的K₂SO₃应为K₂SO₄，某学习小组欲将电池工作一段时间后的电解质溶液取出检验，以确定电池工作时反应的产物。实验室有下列试剂供选用，请帮助该小组完成实验方案设计。
0．01mol·L^－1KMnO₄酸性溶液，1mol·L^－1HNO₃，1mol·L^－1H₂SO₄，1mol·L^－1HCl，0．1mol·L^－1Ba(OH)₂，0．1 mol·L^－1 BaCl₂。

实验步骤	实验现象及相关结论
①取少量电解质溶液于试管中，用pH试纸测其pH。	试纸呈深蓝色，经比对溶液的pH约为14，说明溶液中有残余的KOH。
②继续加入（  ）溶液，再加入（  ）溶液，振荡。	若有白色沉淀产生，则溶液中含有K2SO4。 若无白色沉淀产生，则溶液中没有K2SO4
③另取少量电解质溶液于试管中，先加1 mol·L^－1的H2SO4酸化，再滴入2~3滴0．01 mol·L－1KMnO4酸性溶液，振荡	(               )

（5）若电池开始工作时每100mL电解质溶液含KOH 56g，取电池工作一段时间后的电解质溶液20．00mL，加入BaCl₂溶液至沉淀完全，过滤洗涤沉淀，将沉沉在空气中充分加热至恒重，测得固体质量为11．65g，计算电池工作一段时间后溶液中KOH的物质的量浓度(   )。
(结果保留四位有效数字，假设溶液体积保持不变，已知：M(KOH)=56，M(BaSO₄)=233，M(BaSO₃)=217)

碳和氮的化合物与人类生产、生活密切相关。

（1）在一恒温、恒容密闭容器中发生反应：Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)₄（g），△H＜0；
利用该反应可以将粗镍转化为纯度达99.9%的高纯镍。下列说法正确的是_______（填字母编号）。

A．增加Ni的量可提高CO的转化率，Ni的转化率降低

B．缩小容器容积，平衡右移，△H减小

C．反应达到平衡后，充入CO再次达到平衡时，CO的体积分数降低

D．当4v正[Ni(CO)4]=v正(CO)时或容器中混合气体密度不变时，都可说明反应已达化学平衡状态

（2）CO与镍反应会造成含镍催化剂的中毒．为防止镍催化剂中毒，工业上常用SO₂将CO氧化，二氧化硫转化为单质硫．
已知：CO(g)+ 1/2O₂(g)=CO₂(g) △H=-Q₁ kJ•mol^-1
S(s) +O₂(g) =SO₂(g) △H=-Q₂ kJ•mol^-1
则SO₂(g) +2CO(g) ="S(s)" +2CO₂(g) △H=________________；
（3）对于反应：2NO（g）+O₂═2NO₂（g），向某容器中充入10mol的NO和10mol的O₂，在其他条件相同时，分别测得NO的平衡转化率在不同压强（P₁、P₂）下随温度变化的曲线（如图1）．
①比较P₁、P₂的大小关系_______________；
②700℃时，在压强为P₂时，假设容器为1L，则在该条件平衡常数的数值为_______(最简分数形式)；
（4）NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料电池，其原理如图2所示．该电池在使用过程中石墨I电极上生成氧化物Y，其电极反应式为_______________；若该燃料电池使用一段时间后，共收集到20mol Y，则理论上需要消耗标准状况下氧气的体积为________L。

(10分)（1）在25℃、101 kPa下，1 g甲烷完全燃烧后，恢复到原状态放热Q kJ，则表示甲烷燃烧热的热化学方程式为_________________                  。
（2）肼(N₂H₄)一空气燃料电池是一种碱性环保电池，该电池放电时，负极的反应式为          。
（3）如图装置中甲烧杯盛放100 mL 0.2 mol/L的NaCl溶液，乙烧杯盛放100 mL 0.5 mol/L的CuSO₄溶液。反应一段时间后，停止通电。向甲烧杯中滴入几滴酚酞，观察到石墨电极附近首先变红，乙烧杯中石墨电极附近pH值的变化为       （选填“变大”、“变小”、“不变”）。通电一段时间后（溶液中还有CuSO₄），若要使乙烧杯中电解质溶液恢复到电解前的状态，可加入         (填序号).

A．CuO

B．Cu(OH)2

C．CuCO3

D．Cu2(OH)2CO3

（4）下图是用于笔记本电脑的甲醇（CH₃OH）燃料电池结构示意图，质子交换膜左右两侧的溶液均为500mL 2 mol/LH₂SO₄ 溶液，当电池中有1mole^－发生转移时，左右两侧溶液的质量之差为      （忽略气体的溶解，假设反应物完全耗尽）。

目前工业上可利用CO或CO₂来生产燃料甲醇，某研究小组对下列有关甲醇制取的三条化学反应原理进行探究。已知在不同温度下的化学反应。平衡常数（K₁、K₂、K₃）如下所示：

请回答下列问题：
（1）反应②是______________（填“吸热”或“放热”）反应。
（2）据反应①与②可推导出K₁、K₂与K₃之间的关系，则K₃＝_____________（用K₁、K₂表示）。
（3）要使反应③在一定条件下建立的平衡逆向移动，可采取的措施有_______________（填字母序号）
A．缩小反应容器的容积      B．扩大反应容器的容积
C．升高温度                D．使用合适的催化剂
E．从平衡体系中及时分离出CH₃OH
（4）500℃时，测得反应③在某时刻，H₂（g）、CO₂（g）、CH₃OH（g）、H₂O（g）的浓度（mol·L^-1）分别为0．8、0．1、0．3、0．15，则此时v正____________v逆（填“＞”、“=”或“＜”）．
（5）甲醇是重要的基础化工原料，又是一种新型的燃料，最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极加入甲醇，电池的电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它们在高温下能传导O^2－离子，该电池的正极反应式为_________________。电池工作时，固体电解质里的O^2－向_____________极移动。
（6）300℃时，在一定的压强下，5molCO与足量的H₂在催化剂的作用下恰好完全反应变化的热量为454kJ。在该温度时，在容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如下：

下列说法正确的是______________________。
A．2c₁>c₃    B．a+b<90．8   C．2p ₂<p₃   D．α₁+α₃<1

“洁净煤技术”研究在世界上相当普遍，科研人员通过向地下煤层气化炉中交替鼓入空气和水蒸气的方法，连续产出了高热值的煤炭气，其主要成分是CO和H₂。CO和H₂可作为能源和化工原料，应用十分广泛．生产煤炭气的反应之一是：C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)  H=+131.4kJ/mol
（1）在容积为3L的密闭容器中发生上述反应，5min后容器内气体的密度增大了0.12g/L，用H₂O表示0～5min的平均反应速率为______________。
（2）关于上述反应在化学平衡状态时的描述正确的是___________．
A．CO的含量保持不变
B．v_正(H₂O)=v_正(H₂)
C．容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
（3）若上述反应在t₀时刻达到平衡(如图)，在t₁时刻改变某一条件，请在图中继续画出t₁时刻之后正反应速率随时间的变化：

①缩小容器体积，t₂时到达平衡（用实线表示）；
②t₃时平衡常数K值变大，t₄到达平衡（用虚线表示）．
（4）在一定条件下用CO和H₂可以制得甲醇，CH₃OH和CO的燃烧热分别为725.8kJ/mol，283.0kJ/mol，1molH₂O(l)变为H₂O(g)吸收44.0 kJ的热量，写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和气态水的热化学方程式_______________________
（5）如下图所示，以甲醇燃料电池作为电源实现下列电解过程．乙池中发生反应的离子方程式为_____________。当甲池中增重16g时，丙池中理论上产生沉淀质量的最大值为_________g。

酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是碳粉，MnO₂，ZnCl₂和NH₄Cl等组成的糊状填充物，该电池在放电过程产生MnOOH，回收处理该废电池可得到多种化工原料，有关数据下表所示：
溶解度/(g/100g水)

温度/℃ 化合物	0	20	40	60	80	100
NH4Cl	29.3	37.2	45.8	55.3	65.6	77.3
ZnCl2	343	395	452	488	541	614

 

化合物	Zn(OH)2	Fe(OH)2	Fe(OH)3
Ksp近似值	10^-17	10^-17	10^-39

回答下列问题：
（1）该电池的正极反应式为                  ，电池反应的离子方程式为：             
（2）用废电池的锌皮制备ZnSO₄·7H₂O的过程中，需去除少量杂质铁，其方法是：加稀硫酸和H₂O₂溶解，铁变为_____，加碱调节至pH为        时，铁刚好完全沉淀（离子浓度小于1×10^-5mol/L时，即可认为该离子沉淀完全）；继续加碱调节至pH为_____时，锌开始沉淀（假定Zn^2＋浓度为0.1mol/L）。若上述过程不加H₂O₂后果是                         ，原因是                       。

汽车尾气作为空气污染的主要来源之一，其中含有大量的有害物质，包括CO、NO_x、碳氢化合物和固体悬浮颗粒等。对汽车尾气的治理使环境工作者面临了巨大的挑战。试回答下列问题：
（1）用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染。已知：
①CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
②CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
则由CH₄将NO₂完成还原成N₂，生成CO₂和水蒸气的热化学方程式是____________________；
（2）NO_x也可被NaOH溶液吸收而生成NaNO₃、NaNO₂，已知某温度下，HNO₂的电离常数K_a=9.7×10^-4mol•L^-1，NO₂^-的水解常数为K_h=8.0×10^-10mol•L^-1，则该温度下水的离子积常数=______（用含Ka、Kh的代数式表示），此时溶液的温度______25℃（“＞”、“＜”、“=”）。
（3）化工上利用CO合成甲醇，反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）△H=-90.8KJ•mol^-1。不同温度下，CO的平衡转化率如右图所示：图中T₁、T₂、T₃的高低顺序是________，理由是______。

（4）化工上还可以利用CH₃OH生成CH₃OCH₃。在体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生反应：2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)。

容器编号	温度（℃）	起始物质的量（mol）	平衡物质的量（mol）
CH3OH	CH3OCH3	H2O
Ⅰ	387	0.20	0.080	0．080
Ⅱ	207	0.20	0.090	0.090

该反应的正反应为________反应（填“吸热”、“放热”），若起始是向容器Ⅰ中充入CH₃OH0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol和H₂O0.10mol，则反应将向_____方向进行（填“正”、“逆”）。
（5）CH₃OH燃料电池在便携式通讯设备、汽车等领域有着广泛的应用。已知电池工作时的总反应方程式为：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，电池工作时的示意图如右图所示：

质子穿过交换膜移向_____电极区（填“M”、“N”），负极的电极反应式为________。

碳、氮及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用。请回答下列问题：
（1）用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染。例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）＋CO₂（g）+2H₂O（g）ΔH₁＝－574kJ·molˉ¹
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）＋CO₂（g）+2H₂O（g） ΔH₂
若2molCH₄还原NO₂至N₂，整个过程中放出的热量为1734kJ，则ΔH₂＝              ；
（2）据报道，科学家在一定条件下利用Fe₂O₃与甲烷反应可制取“纳米级”的金属铁。其反应为：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）  ΔH>0
①若反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少3．2g。则该段时间内CO的平均反应速率为________________。
②若该反应在恒温恒压容器中进行，能表明该反应达到平衡状态的是____________
a．CH₄的转化率等于CO的产率
b．混合气体的平均相对分子质量不变
c．v（CO）与v（H₂）的比值不变
d．固体的总质量不变
③该反应达到平衡时某物理量随温度变化如图所示，当温度由T₁升高到T₂时，平衡常数K_A            K_B（填“>”、“<”或“=”）。纵坐标可以表示的物理量有哪些                。

a．H₂的逆反应速率
b．CH₄的的体积分数
c．混合气体的平均相对分子质量
d．CO的体积分数
（3）甲烷燃料电池可以提升能量利用率。下图是利用甲烷燃料电池电解50ml2mol/L的氯化铜溶液的装置示意图：

请回答：
①甲烷燃料电池的负极反应式是：__________________________。
②当A中消耗0．05mol氧气时，B中________________极（填“a”或“b”）增重________________g。
（4）工业合成氨气需要的反应条件非常高且产量低，而一些科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）实现氨的电化学合成，从而大大提高了氮气和氢气的转化率。电化学合成氨过程的总反应式为：N₂＋3H₂2NH₃，该过程中还原反应的方程式为                      。

、碳和氮的化合物与人类生产、生活密切相关。

（1）在一恒温、恒容密闭容器中发生反应：Ni (s)＋4CO(g)Ni(CO)₄(g)，ΔH＜0。利用该反应可以将粗镍转化为纯度达99.9%的高纯镍。下列说法正确的是      （填字母编号）。

A．增加Ni的量可提高CO的转化率，Ni的转化率降低

B．缩小容器容积，平衡右移，ΔH减小

C．反应达到平衡后，充入CO再次达到平衡时， CO的体积分数降低

D．当4v正[Ni(CO)4]= v正(CO)时或容器中混合气体密度不变时,都可说明反应已达化学平衡状态

（2）CO与镍反应会造成含镍催化剂的中毒。为防止镍催化剂中毒，工业上常用SO₂将CO氧化，二氧化硫转化为单质硫。
已知：CO (g)＋1/2O₂(g)＝CO₂(g)      ΔH＝－Q₁ kJ·mol^-1
S(s)＋O₂(g)＝SO₂(g)        ΔH＝－Q₂ kJ·mol^-1
则SO₂(g)＋2CO (g)＝S(s)＋2CO₂(g)     ΔH＝                     。
（3）对于反应：2NO（g）+O₂2NO₂(g)，向某容器中充入10mol的NO和10mol的O₂，在其他条件相同时，分别测得NO的平衡转化率在不同压强（P₁、P₂）下随温度变化的曲线（如图）。
①比较P₁、P₂的大小关系：________________。
②700℃时，在压强为P₂时，假设容器为1L，则在该条件平衡常数的数值为______（最简分数形式）
（4）NO₂、O₂和熔融NaNO₃可制作燃料电池，其原理如图所示。该电池在使用过程中石墨I电极上生成氧化物Y，其电极反应式为            。若该燃料电池使用一段时间后，共收集到20mol Y，则理论上需要消耗标准状况下氧气的体积为         L。