高中化学化学电源新型电池试题

氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题。
（1）下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分K值。

反应	大气固氮 N2(g)+O2(g)2NO(g)	工业固氮 N2(g)+3H2 (g)2NH3(g)
温度/℃	27	2000	25	400	450
K	3.84×10^-31	0.1	5×10^8	0.507	0.152

①分析数据可知：大气固氮反应属于__________（填“吸热”或“放热”）反应。
②分析数据可知：人类不适合大规模模拟大气固氮的原因__________。
③从平衡视角考虑，工业固氮应该选择常温条件，但实际工业生产却选择500℃左右的高温，解释其原因_______________________。
（2）工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N₂的平衡转化率在不同压强（р₁、р₂）下随温度变化的曲线，下图所示的图示中，正确的是________（填“A”或“B”）；比较р₁、р₂的大小关系_________。

（3）20世纪末，科学家采用高质子导电性的SCY陶瓷（能传递H⁺）为介质，用吸附在它内外表面上的金属钯多晶薄膜做电极，实现高温常压下的电化学合成氨，提高了反应物的转化率，其实验简图如C所示，阴极的电极反应式是                   。

（4）近年，又有科学家提出在常温、常压、催化剂等条件下合成氨气的新思路，反应原理为：2N₂(g)+6H₂O(1)4NH₃(g)+3O₂(g)，则其反应热ΔH＝___________________。
（已知：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)  △H＝－92.4kJ·mol^－1
2H₂(g) +O₂(g)2H₂O(l)   △H＝－571.6kJ·mol^－1 ）

（1 6分）钒是一种重要的合金元素，还用于催化剂和新型电池。从含钒固体废弃物（含有SiO₂、
Al₂O₃及其他残渣）中提取钒的一种新工艺主要流程如下：

部分含钒化合物在水中的溶解性如下表：

请回答下列问题：
（1）反应①所得溶液中除H⁺之外的阳离子有       
（2）反应②碱浸后滤出的固体主要成分是       （写化学式）。
（3）反应④的离子方程式为       
（4）250C、101 kPa时,
用V₂O₅发生铝热反应冶炼金属钒的热化学方程式是      。
（5）钒液流电池（如图所示）具有广阔的应用领域和市场前景，该电池中隔膜只允许H⁺通过。电池放电时负极的电极反应式为      ，电池充电时阳极的电极反应式是             。

（6）用硫酸酸化的H₂C₂O₄溶液滴定(VO₂)₂SO₄溶液，以测定反应①后溶液中的含钒量，反应的离子方程式为：2 VO₂⁺+ H₂C₂O₄+2 H⁺="2" VO²⁺+2CO₂↑+2H₂O，取25.00 mL 0.1000 mol/L H₂C₂O₄标准溶液于锥形瓶中，加入指示剂，将待测液盛放在滴定管中，滴定到终点时消耗待测液24.0 mL，由此可知，该(V0₂)₂S0₄溶液中钒的含量为         g/L。

(14分)CO₂和H₂可用于合成甲醇和甲醚。
（1）已知①CH₃OH(l)＋O₂(g) ="=" CO₂(g)＋2H₂O(l)   ΔH＝－725.5 kJ·mol^－1
②H₂(g)＋O₂(g) ="=" H₂O(g)  ΔH ＝－241.8 kJ·mol^－1
③H₂O(g) ="=" H₂O(l)   ΔH ＝－44 kJ·mol^－1
则工业上以CO₂(g)、H₂(g)为原料合成CH₃OH(l)，同时生成H₂O(l)的热化学方程式为_______。
（2）将CO₂转化为甲醚的反应原理为2CO₂(g)＋6H₂(g)CH₃OCH₃(g)＋3H₂O(l)
已知在投料比n(CO₂):n(H₂)=1：3的条件下，不同温度、不同压强时，CO₂的转化率见下表：

①下列关于上述可逆反应的说法正确的是

A．在恒温、恒容的密闭容器中，当反应混合气体的密度保持不变时反应达平衡状态

B．当v正(CO2)=" 3" v逆(H2)，反应达平衡状态

C．当n(CO2):n(H2)=1：3时，反应达平衡状态

D．a > 60%

②上述反应的化学平衡常数的表达式为__________。
③该反应的ΔH       0，原因是                       。
④在压强为P、温度为500K、投料比n(CO₂):n(H₂)=1：3的条件下，反应达平衡状态时H₂的转化率为         ，混合气体中CO₂的体积分数为             。
（3）以甲醇、空气、KOH溶液为原料可设计成燃料电池：放电时，负极的电极反应式为            。

一氧化碳是一种用途广泛的化工基础原料。
（l）在高温下CO可将SO₂还原为单质硫。
已知：①2CO(g)+O₂(g)=2CO₂(g)ΔH=-566.0kJ/mol
②S(s)+ O₂(g)=SO₂(g)ΔH=-296.0kJ/mol
请写出CO还原SO₂的热化学方程式______        。
（2）工业土用一氧化碳制取氢气的反应为：CO(g)+H₂O(g)  CO₂(g) +H₂(g)。已知420℃时，该反应的化学平衡常数K=9。如果反应开始时，在2L的密闭容器中充入CO和H₂O的物质的量都是0.60mol，5min末达到平衡，则此时CO的转化率为_________，H₂的平均生成速率为         mol·L^-1min^-1，其他条件不变时，升温至520℃，CO的转化率增大，该反应为___________反应（填“吸热”或“放热”）；
（3）CO与H₂反应还可制备CH₃OH，CH₃OH可作为燃料使用，用CH₃OH和O₂组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图

电池总反应为：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，则c电极是    （填“正极”或“负极”），c电极的反应方程式为      。若用该电池电解精炼铜（杂质含有Ag和Fe），粗铜应该接此电源的___________极（填“c”或“d”），反应过程中析出精铜64g，则上述CH₃OH燃料电池，消耗的O₂在标况下的体积为      L。

(12分)（1）高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn＋2K₂FeO₄＋8H₂O3Zn(OH)₂＋2Fe(OH)₃＋4KOH。
高铁电池的负极材料是________，放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应。
（2）依据氧化还原反应：2Ag^＋(aq)＋Cu(s) = Cu^2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池，完成下图原电池的装置示意图，并作相应标注；

其正极反应为                                          。
（3）工业上可利用SO₂制取硫酸。已知25℃、101 kPa时：
2SO₂(g) +O₂(g)＝2SO₃(g)         △H₁= 一197 kJ/mol；
2H₂O (g)＝2H₂O（1）          △H₂＝一44 kJ/mol；
2SO₂(g)+O₂(g)+2H₂O(g)＝2H₂SO₄(l)   △H₃＝一545 kJ/mol。
则SO₃ (g)与H₂O(l)反应的热化学方程式是                                     。

(16分)天然气在生产、生活中具有广泛的应用。
（1）CO₂(g)+4H₂(g)CH₄(g)+2H₂O(g) △H="-162" kJ·mol^-1。其他条件相同，实验测得在T₁和P_l与T₂和P₂条件下该反应的H₂平衡转化率相同，若T₁> T₂、则P_l ____P₂ (填“>”“<”或“=”)，平衡常数K_{1______}K₂(填“>” “<”或“=”)。
（2）另一合成CH₄的原理：CO(g)+3H₂(g)CH₄(g)+H₂O(g)。某温度时将0．1molCO和0.3mol H₂充入10L的密闭容器内，l0min时达平衡。测得10min内v(CO)= 0．0009mol·L^-1·min^-1，则H₂的平衡转化率为______，该温度下反应的平衡常数为___________mol^-2·L²。
（3）某实验小组依据甲烷燃烧的反应原理，设计如图所示的装置。已知甲池的总反应式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，乙池中盛有1L lmo1·L^-1CuSO₄溶液。a电极通入的气体为CH₄，其电极反应式是______，b电极的现象为______。一段时间内乙池中溶液的pH由2变为1，则在这段时间内转移电子的物质的量为________mol。

(14分)CO和联氨(N₂H₄)的性质及应用的研究是能源开发、环境保护的重要课题。

（1）①用CO、O₂和KOH溶液可以制成碱性燃料电池，则该电池反应的离子方程式为________。
②用CO、O₂和固体电解质还可以制成如图1所示的燃料电池，则电极d的电极反应式为________。
（2）联氨的性质类似于氨气，将联氨通入CuO浊液中，有关物质的转化如图2所示。
①在图示的转化中，化合价不变的元素是________(填元素名称)。
②在转化过程中通入氧气发生反应后，溶液的pH将________(填“增大”、“减小”或“不变”)。转化中当有1 mol N₂H₄参与反应时，需要消耗O₂的物质的量为________。
③加入NaClO时发生的反应为：Cu(NH₃)＋2ClO^－＋2OH^－===Cu(OH)₂↓＋2N₂H₄↑＋2Cl^－＋2H₂O
该反应需在80℃以上进行，其目的除了加快反应速率外，还有________、________。
（3）CO与SO₂在铝矾土作催化剂、773 K条件下反应生成CO₂和硫蒸气，该反应可用于从烟道气中回收硫，反应体系中各组分的物质的量与反应时间的关系如图3所示，写出该反应的化学方程式：________________。

(14分)以硫铁矿(主要成分为FeS₂)为原料制取硫酸，其烧渣可用来炼铁。
（1）煅烧硫铁矿时发生反应：FeS₂＋O₂―→Fe₂O₃＋SO₂(未配平)。当产生448 L(标准状况)SO₂时，消耗O₂的物质的量为________。
（2）Fe₂O₃用CO还原焙烧的过程中，反应物、生成物和温度之间的关系如图所示。

(图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四条曲线是四个化学反应平衡时的气相组成对温度作图得到的；A、B、C、D四个区域分别是Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe稳定存在的区域)
已知：ⅰ.3Fe₂O₃(s)＋CO(g)===2Fe₃O₄(s)＋CO₂(g)；ΔH₁＝a kJ·mol^－1
ⅱ.Fe₃O₄(s)＋CO(g)===3FeO(s)＋CO₂(g)；ΔH₂＝b kJ·mol^－1
ⅲ.FeO(s)＋CO(g)===Fe(s)＋CO₂(g)；ΔH₃＝c kJ·mol^－1
①反应Fe₂O₃(s)＋3CO(g)===2Fe(s)＋3CO₂(g)的ΔH＝________kJ·mol^－1(用含a、b、c的代数式表示)。
②800 ℃时，混合气体中CO₂体积分数为40%时，Fe₂O₃用CO还原焙烧反应的化学方程式为____________。
③据图分析，下列说法正确的是________(填字母)。
a．温度低于570  ℃时，Fe₂O₃还原焙烧的产物中不含FeO
b．温度越高，Fe₂O₃还原焙烧得到的固体物质组成中Fe元素的质量分数越高
c．Fe₂O₃还原焙烧过程中及时除去CO₂有利于提高Fe的产率
（3）FeS₂是Li/FeS₂电池(示意图如图)的正极活性物质。

①FeSO₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200 ℃时以等物质的量连续反应24 h后得到FeS₂。写出该反应的离子方程式：______________。
②Li/FeS₂电池的负极是金属Li，电解液是含锂盐的有机溶液。电池放电反应为FeS₂＋4Li===Fe＋4Li^＋＋2S^2－。该反应可认为分两步进行：第1步，FeS₂＋2Li===2Li^＋＋FeS₂^2－，则第2步正极的电极反应式为____________________。

甲醇是一种新型的汽车动力燃料，工业上可通过CO和H₂化合来制备甲醇：
CO (g)＋2H₂ (g)CH₃OH (g)
（1）在容积固定为2 L的密闭容器内充入1 mol CO和2 mol H₂，加入 催化剂后在250 ℃开始反应，
CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。容器中M、N两点气体的物质的量之比为           。M、N、Q三点的平衡常数K_M、K_N、K_Q的大小关系为             。

（2）通过压力计监测上述容器内压强的变化如下：

反应时间/min	0	5	10	15	20	25
压强/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

则从反应开始到20min时，以CO表示的平均反应速率为           ，该温度下平衡常数K＝     。
（3）下列描述中能说明上述反应已达平衡状态的是          。
A．2v(H₂)_正＝v(CH₃OH)_逆
B．容器内气体的平均摩尔质量保持不变
C．容器中气体的压强保持不变
D．单位时间内生成n mol CO的同时生成2n mol H₂
（4）25℃时以甲醇燃料电池（电解质溶液为稀硫酸）为电源电解300 mL NaCl溶液，正极反应式为      。在电解一段时间后，NaCl溶液的pH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__________。

用酸性氢氧燃料电池（甲池）为电源进行电解的实验装置（乙池，一定条件下可实现有机物的电化学储氢）如下图所示．甲池中C为含苯的物质的量分数为10%的混合气体，D为l0mol混合气体其中苯的物质的量分数为24%（杂质不参与反应），E为标准状况下2． 8mol气体（忽略水蒸汽），下列说法正确的是

A．甲池中A处通入H2，E处有O2放出

B．甲池中H^+由F极移向G极

C．乙池中阴极区只有苯被还原

D．导线中共传导11.2mol电子

磷酸燃料电池是目前较为成熟的燃料电池之一，其基本组成及反应原理如下图所示。下列说法不正确的是

A．该系统中不只存在化学能和电能的相互转化

B．在移位反应器中，反应CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)(ΔH>0)，若温度越高，则v(CO)越大

C．改质器和移位反应器的作用是将CxHy转化为H2和CO2

D．该电池正极的电极反应为O2＋4H^＋—4e^－===2H2O

A、B、C、D、E、F是六种短周期主族元素，它们的原子序数依次增大，其中A、D及C、F分别是同一主族元素，A元素的一种核素无中子，F元素的最外层电子数是次外层电子数的0.75倍，B元素的的最外层电子数是内层电子数的2倍，E元素的最外层电子数等于其电子层数。
请回答：
（1）A、D、F形成化合物的电子式为_______。
（2）工业上在高温的条件下，可以用A₂C和BC反应制取单质A₂。在2L密闭容器中分别充入1 mol A₂C和1 mol BC，一定条件下，2 min达平衡时生成0.4 mol A₂，则用BC表示的反应速率为_____________。下列关于该反应的说法中正确的是________。
A．增加BC₂的浓度始终不能提高正反应速率
B．若混合气体的密度不再发生变化，则反应达到最大限度
C．A₂是一种高效优质新能源
D．若生成1 mol A₂，转移2 mol 电子
（3）用A元素的单质与C元素的单质及由A、C、D三种元素组成的化合物的溶液构成燃料电池，写出该电池的电极反应式：负极____________，正极__________________。

研究氮的氧化物、硫的氧化物、碳的氧化物等大气污染物的处理具有重要意义。
（1）汽车排气管内安装的催化转化器，可使尾气中主要污染物转化为无毒物质。下列说法能说明恒温恒容条件下的反应;2NO（g）+2CO（g）＝N₂（g）+2CO₂（g）△H="-746.5" kJ·mol^-1已达到化学平衡的是                     。
A．单位时间内消耗了2moINO的同时消耗的2moICO
B．CO与CO₂的物质的量浓度相等的状态
C．气体密度保持不变的状态
D．气体平均摩尔质量保持不变的状态
（2）NO₂与SO₂混合可发生反应：NO₂（g）+SO₂（g）SO₃（g）+NO（g）。
将一定量的NO₂与SO₂置于绝热恒容密闭容器中发生上述反应，正反应速率随时间变化的趋势如图所示。由图（纵轴代表正反应速率）可知下列说法正确的是             （填字母）。

A．反应在c点达到平衡状态
B．反应物浓度：a点小于b点
C．反应物的总能量高于生成物的总能量
D．△t₁=△t₂时，SO₂的消耗量：a～b段大于b～c段
（3）CO在实际中有以下应用：用Li₂CO₃和Na₂CO₃熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO₂的混合气作为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。完成有关的电极反应式。
负极反应式：2CO+2CO₃^2-一4e^-＝4CO₂    正极反应式：                                。
（4）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50 mL 2 mol·L^-1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0.15 mol氧气时，B中     极（填”a”或”b”）增重__  __g。

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________。

工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如图所示：

（1）工业生产时，制取氢气的一个反应为：CO+H₂O(g)CO₂+H₂
T℃时，往1L密闭容器中充入0.2mol CO和0.3mol水蒸气。反应建立平衡后，体系中c(H₂)=0.12mol·L^－1。该温度下此反应的平衡常数K=" _____" （填计算结果）。
（2）合成塔中发生反应N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)；△H<0。下表为不同温度下该反应的平衡常数。由此可推知，表中T₁  ___ 573K（填“>”、“<”或“=”）。

T/℃	T1	300	T2
K	1.00×10^7	2.45×10^5	1.88×10^3

（3）N₂和H₂以铁作催化剂从145℃就开始反应，不同温度下NH₃的产率如图所示。温度高于900℃时，NH₃产率下降的原因是                                 。

（4）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氧化物还原为氮气和水，其反应机理为：
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：
（5）氨气在纯氧中燃烧，生成一种单质和水。科学家利用此原理，设计成氨气-氧气燃料电池，则通入氨气的电极碱性条件下发生反应的电极反应式为                            。