高中化学化学电源新型电池试题

随着各地“限牌”政策的推出，电动汽车成为汽车届的“新宠”。特斯拉全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCoO₂)电池，其工作原理如图，A极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li^＋的高分子材料，隔膜只允许 Li^＋通过，电池反应式。下列说法不正确的是

A．充电时Li^＋从右边流向左边

B．放电时，正极锂的化合价未发生改变

C．充电时B作阳极，该电极放电时的电极反应式为：Li1-x CoO2+ xLi^++ xe^－= LiCoO2

D．废旧钴酸锂(LiCoO2)电池进行“放电处理”让Li^+进入石墨中而有利于回收

(16分)物质的类别和核心元素的化合价是研究物质性质的两个基本视角｡

（1）图中X的电子式为           ；其水溶液长期在空气中放置容易变浑浊，该变化体现出：S非金属性比O         (填“强”或“弱”)｡用原子结构解释原因：同主族元素最外层电子数相同，从上到下，      ，得电子能力逐渐减弱｡
（2）Na₂S₂O₃是一种用途广泛的钠盐｡
①下列物质用于Na₂S₂O₃的从氧化还原反应的角度制备， ，理论上有可能的是      (填字母序号)｡
a．Na₂S+S     b．Z+S    c．Na₂SO₃+Y    d．NaHS+NaHSO₃
②已知反应：Na₂S₂O₃+H₂SO4Na₂SO₄+S↓+SO₂↑+H₂O｡研究其反应速率时，下列说法正确的是     (填写字母序号)｡
a．可通过测定一段时间内生成SO₂的体积，得出该反应的速率
b．可通过比较出现浑浊的时间，研究浓度､温度等因素对该反应速率的影响
c．可通过Na₂S₂O₃固体与稀硫酸和浓硫酸的反应，研究浓度对该反应速率的影响
（3）治理含CO､SO₂的烟道气，可以将其在催化剂作用下转化为单质S和无毒的气体｡
①已知：CO(g)+1/2O₂(g)=CO₂(g）      △H=-283kJ·mol^-1
S(s)+O₂(g)=SO₂(g）          △H=-296kJ·mol^-1
则治理烟道气反应的热化学方程式为            ｡
②一定条件下，将CO与SO₂以体积比为4∶1置于恒容密闭容器中发生上述反应，下列选项能说明反应达到平衡状态的是         (填写字母序号)｡
a．v(CO)∶v(SO₂)=2∶1          
b．平衡常数不变
c．气体密度不变                 
d．CO₂和SO₂的体积比保持不变
测得上述反应达平衡时，混合气体中CO的体积分数为，则SO₂的转化率为         ｡
（4）最近科学家提出“绿色自由”构想：把空气吹入碳酸钾溶液，然后再把CO₂从溶液中提取出来，经化学反应后使空气中的CO₂转变为可再生燃料甲醇｡甲醇可制作燃料电池｡写出以氢氧化钾为电解质的甲醇燃料电池负极反应式            ｡
（5）某同学用沉淀法测定含有较高浓度CO₂的空气中CO₂的含量，经查得一些物质在20℃的数据如下表｡

吸收CO₂最合适的试剂是         (填“Ca(OH)₂”或“Ba(OH)₂”)溶液｡

(14 分)碳及其化合物应用广泛。
I．工业上利用CO和水在沸石分子筛表面反应制氢气，CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)
（1）向 1L恒容密闭容器中注入CO和H₂O（g），830^oC时，测得部分数据如下表。

t/min	0	1	2	3	4	5
n(CO)/mol	0.200	0.160	0.125	0.099	0.080	0.080
n(H2O)/mol	0.300	0.260	0.225	0.199	0.180	0.180

则该温度下反应的平衡常数K=    
（2）相同条件下，向 1L恒容密闭容器中，同时注入1molCO、1molH₂O(g)、2molCO₂和2molH₂，此时
v（正）      v（逆）（填“＞”“＝”或“＜”）
II．已知：CO(g)+1/2O₂(g)=CO₂(g)        △H₁=－141kJ·mol^－1
2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)               △H₂=－484kJ·mol^－1
CH₃OH（l）+3/2O₂(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)     △H₃=－726kJ·mol^－1
（3）利用CO、H₂化合制得液态甲醇的热化学方程式为                             
Ⅲ．一种新型氢氧燃料电池工作原理如下图所示。

（4）写出电极A的电极反应式      ，放电过程中，溶液中的CO₃^2-将移向电极       （填A或B）
（5）以上述电池电解饱和食盐水，若生成0.2mol Cl₂，则至少需通入O₂的体积为     L（标准状况）

Ⅰ、碳是地球上含量丰富的元素，其氧化物的研究有着重要意义。
（1）下图是1 mol NO₂和1 mol CO反应生成CO₂和NO过程中能量变化示意图，写出NO₂和CO反应的热化学方程式  _______________；

（2）试在原图基础上画出加入正催化剂后该反应在反应过程中的能量变化示意图（进行必要的标注）。
Ⅱ、全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的电池，目前钒电池技术已经趋近成熟。
全钒液流电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子【V^2＋ (紫色）、V^3＋（绿色）、VO^2＋（蓝色）、VO₂⁺（黄色）】为正极和负极电极反应的活性物质
电池总反应为VO^2＋＋V^3＋＋H₂OV^2＋＋VO₂⁺＋2H^＋。
下图是钒电池基本工作原理示意图：

请回答下列问题：
（1）放电时的正极反应式为____       
（2）充电时的阴极反应式为_________  ___                    _____，
充电过程中，电解液的pH          (选填“升高”“降低”或“不变”）。
（3）放电过程中氢离子的作用是______                               ；
若充电时转移电子的数目为6.02×10²³，则左槽溶液中H⁺的变化量为           mol 。

(17分)碳及其化合物与人类生产、生活密切相关。（1）在化工生产过程中，少量CO的存在会引起催化剂中毒，为了防止催化剂中毒，常用SO₂将CO氧化，SO₂被还原为S。
已知：C(s)＋1/2O₂(g)=CO(g)△H₁=－126.4kJ·mol^－1
C(s)＋O₂(g)=CO₂(g)△H₂=－393.5kJ·mol^－1
S(s)＋O₂(g)=SO₂(g) △H₃=－296.8kJ·mol^－1
则SO₂氧化CO的热化学反应方程式为____________。
（2）CO可用于合成甲醇，化学方程式为CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g) △H=-90．8KJ·mol^-1。
①在容积为1L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律。如图是上述三种温度下H₂和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1mol)与CO平衡转化率的关系，则曲线Z对应的温度是______℃；该温度下上述反应的化学平衡常数为_______。曲线上a、b、c点对应的化学平衡常数分别为K₁、K₂、K₃，则K₁、K₂、K₃的大小关系为___________；

②在密闭容器里按体积比为1：2充入一氧化碳和氢气，一定条件下反应达到平衡状。当改变某一反应条件后，下列变化能说明平衡一定向正反应方向移动的是______(填序号)。

A．正反应速率瞬间增大，后逐渐减小

B．混合气体的密度增大

C．化学平衡常数K值增大

D．反应物的体积百分含量增大

（3）一种新型CO燃料电池工作原理如图所示。

①负极电极反应式为_______________________；
②电极A处产生的CO₂有部分参与循环利用，其利用率为____________。

目前“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题。请回答下列问题：
I．甲烷自热重整是一种先进的制氢方法，其反应方程式为：
CH₄(g) + H₂O(g) CO(g) + 3H₂(g)
（1）阅读下图，计算该反应的反应热ΔH = __________kJ/mol。

II．用CH₄或其他有机物、O₂为原料可设计成燃料电池。
（2）以C_nH_2nO_n、O₂为原料，H₂SO₄溶液为电解质设计成燃料电池，则负极的电极反应式为______________________________________________________________________。
（3）以CH₄、O₂为原料，100 mL 0.15 mol/L NaOH溶液为电解质设计成燃料电池，若放电时参与反应的氧气体积为448 mL（标准状况），产生的气体全部被溶液吸收，则所得溶液中溶质的成分及物质的量之比为____________________，各离子浓度由大到小的顺序为______________________________。
III．利用I₂O₅消除CO污染的反应为：5CO(g) + I₂O₅(s) 5CO₂(g) + I₂(s)，不同温度下，向装有足量I₂O₅固体的2L恒容密闭容器中通入4 mol CO，测得CO₂的体积分数随时间t变化曲线如图。请回答：

（4）T₂时，0 ~ 0.5 min内的反应速率v(CO) = ____________________。
（5）T₁时化学平衡常数K = ____________________。
（6）下列说法不正确的是___________（填字母序号）。

A．容器内气体密度不变，表明反应达到平衡状态

B．两种温度下，c点时体系中混合气体的压强相等

C．d点时，增大体系压强，CO的转化率不变

D．b点和d点时化学平衡常数的大小关系：Kb < Kd

(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                                     。

如图所示是一个燃料电池的示意图，当此燃料电池工作时，下列分析中正确的是

A．如果a极通入H2，b极通入O2，NaOH溶液作电解质溶液，则通H2的电极上发生的反应为：H2－2e^－＝2H^＋

B．如果a极通入H2，b极通入O2，H2SO4溶液作电解质溶液，则通 O2的电极上发生的反应为：O2＋4e^－＋2H2O＝4OH^－

C．如果a极通入CH4，b极通入O2，NaOH作电解质溶液，则通CH4的电极上发生的 反应为：CH4－8e^－＋10OH^－＝CO3^2-＋7H2O

D．如果a极通入H2，b极通入O2，NaOH溶液作电解质溶液，则溶液中的OH^－离子向b极附近移动

(14分)尿素是蛋白质代谢的产物，也是重要的化学肥料。工业合成尿素反应如下：
2NH₃(g)＋CO₂(g)CO(NH₂)₂(s)＋H₂O(g)
(1)在一个真空恒容密闭容器中充入CO₂和NH₃发生上述反应合成尿素，恒定温度下混合气体中的氨气含量如图所示。

A点的正反应速率v_正(CO₂)_______B点的逆反应速率v_逆(CO₂)(填“＞”、“＜”或“＝”)；
氨气的平衡转化率为________________________。
（2）氨基甲酸铵是合成尿素的一种中间产物。将体积比为2:1的NH₃和CO₂混合气体充入一个容积不变的真空密闭容器中，在恒定温度下使其发生下列反应并达到平衡：2NH₃(g)＋CO₂(g) NH₂COONH₄(s)
将实验测得的不同温度下的平衡数据列于下表：

温度(℃)	15.0	20.0	25.0	30.0	35.0
平衡气体总浓度 (10^－3mol/L)	2.4	3.4	4.8	6.8	9.4

①关于上述反应的焓变、熵变说法正确的是                               。
A.∆H＜0， ∆S＜0           B.∆H＞0， ∆S＜0   
C.∆H＞0， ∆S＞0           D.∆H＜0， ∆S＞0
②关于上述反应的平衡状态下列说法正确的是________________
A.分离出少量的氨基甲酸铵，反应物的转化率将增大
B.平衡时降低体系温度，CO₂的体积分数下降
C.NH₃的转化率始终等于CO₂的转化率
D.加入有效的催化剂能够提高氨基甲酸铵的产率
③氨基甲酸铵极易水解成碳酸铵，酸性条件水解更彻底。将氨基甲酸铵粉末逐渐加入1 L0.1 mol/L的盐酸溶液中直到pH=7(室温下，忽略溶液体积变化)，共用去0.052 mol氨基甲酸铵，此时溶液中几乎不含碳元素。此时溶液中c(NH₄^＋ )=            ；
NH₄^＋ 水解平衡常数值为                 。
（3）化学家正在研究尿素动力燃料电池，尿液也能发电！用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水又能发电。尿素燃料电池结构如图所示，写出该电池的负极反应式：                              。

生物燃料电池(BFC)是以有机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂的一类特殊的燃料电池，其能量转化效率高，是一种真正意义上的绿色电池，其工作原理如图所示。

已知C₁极的电极反应式为：C₂H₅OH＋3H₂O－12e^－===2CO₂＋12H^＋，
下列有关说法不正确的是
A．C₁极为电池负极，C₂极为电池正极
B．电子由C₂极经外电路导线流向C₁极
C．C₂极的电极反应式为O₂＋4H^＋＋4e^－===2H₂O
D．该生物燃料电池的总反应式为：C₂H₅OH＋3O₂===2CO₂＋3H₂O

(15分)目前工业合成氨的原理是N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(g) △H＝一93．0kJ·mol^-1
（1）已知一定条件下：2N₂(g)＋6H₂O(l)4NH₃(g)＋3O₂(g) △H＝十l 530.0kJ·mol^一1。则氢气燃烧热的热化学方程式为                                 。
（2）如图，在恒温恒容装置中进行合成氨反应。

①表示N₂浓度变化的曲线是          。
②前25 min内，用H₂浓度变化表示的化学反应速率是                    。
③在25 min末刚好平衡，则平衡常数K＝                         。
（3）在恒温恒压装置中进行工业合成氨反应，下列说法正确的是                    。

A．气体体积不再变化，则已平衡

B．气体密度不再变化，尚未平衡

C．平衡后，往装置中通入一定量Ar，压强不变，平衡不移动

D．平衡后．压缩容器，生成更多NH3

（4）电厂烟气脱氮的主反应①：4NH₃(g)＋6NO(l)5N₂(g)＋6H₂O(g) △H＜0，副反应②：2NH₃(g)＋8NO(g)5N₂O(g)＋3H₂O(g) △H＞0。平衡混合气中N₂与N₂O含量与温度的关系如图。

请回答：在400～600 K时，平衡混合气中N₂含量随温度的变化规律是             ，导致这种规律的原因是                     (任答合理的一条原因)。
（5）直接供氨式燃料电池是以NaOH溶液为电解质溶液，电池反应为4NH₃（g）+3O₂＝2N₂+6H₂O。则负极电极反应式为                       。
（6）取28．70 g ZnSO₄·7H₂O加热至不同温度，剩余固体的质量变化如下图所示。680℃时所得固体的化学式为      (填字母序号)。

a．ZnO       b．Zn₃O(SO₄)₂        c．ZnSO₄       d．ZnSO₄·H₂O

CH₄既是一种重要的能源，也是一种重要的化工原料。
（1）已知8.0 g CH₄完全燃烧生成液体水放出444.8kJ热量。则
CH₄(g）+2O₂(g）＝CO₂(g）+2H₂O(l） ΔH＝     kJ·mol^－1。
（2）以CH₄为燃料可设计成结构简单、能量转化率高、对环境无污染的燃料电池，其工作原理如图所示，则通入a气体的电极名称为      ，通入b气体的电极反应式为         。（质子交换膜只允许H⁺通过）

（3）在一定温度和催化剂作用下，CH₄与CO₂可直接转化成乙酸，这是实现“减排”的一种研究方向。
①在不同温度下，催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示，则该反应的最佳温度应控制在     左右。

②该反应催化剂的有效成分为偏铝酸亚铜（CuAlO₂，难溶物）。将CuAlO₂溶解在稀硝酸中生成两种盐并放出NO气体，其离子方程式为         。
（4）CH₄还原法是处理NO_x气体的一种方法。已知一定条件下CH₄与NO_x反应转化为N₂和CO₂，若标准状况下8.96 L CH₄可处理22.4 L NO_x，则x值为       。

已知铅蓄电池的工作原理为Pb＋PbO₂＋2H₂SO₄2PbSO₄＋2H₂O，现用如图装置进行电解(电解液足量)，测得当 铅蓄电池中转移0.4 mol电子时铁电极的质量减少11.2 g。请回答下列问题。

（1）A是铅蓄电池的                 极，铅蓄电池正极反应式为               ，放电过程中电解液的密度          (填“减小”、“增大”或“不变”)。
（2）Ag电极的电极反应式是           ，该电极的电极产物共           g。
（3）Cu电极的电极反应式是          ，CuSO₄溶液的浓度           (填“减小”、“增大”或“不变”)
（4）如图表示电解进行过程中某个量(纵坐标x)随时间的变化曲线，则x表示             ­­­­­­。

a．各U形管中产生的气体的体积
b．各U形管中阳极质量的减少量
c．各U形管中阴极质量的增加

短周期主族元素A，B，C，D，E，F的原子序数依次增大，它们的原子核外电子层数之和为13。B的化合物种类繁多，数目庞大；C，D是空气中含量最多的两种元素，D，E两种元素的单质反应可以生成两种不同的离子化合物；F为同周期半径最小的元素。试回答以下问题：
（一）（1）D在周期表中的位置是        ，写出实验室制备单质F的离子方程式           。
（2）化学组成为BDF₂的电子式为：       ，A、C、F三种元素形成的化合物CA₄F为         化合物(填 “离子”或“共价”)。
（3）化合物甲、乙由A，B，D，E中的三种或四种组成，且甲、乙的水溶液均呈碱性。则甲、乙反应的离子方程式为：                               。
（4）由C，D，E，F形成的简单离子的离子半径由大到小的顺序是           (用元素离子符号表示)。
（5）元素B和F的非金属性强弱，B的非金属性         于F(填“强”或“弱”)，并用化学方程式证明上述结论                                                    。
（二）以CA₃代替氢气研发氨燃料电池是当前科研的一个热点。
（1）CA₃燃料电池使用的电解质溶液是2mol•L^﹣1的KOH溶液，电池反应为：4 CA₃+3O₂=2C₂+6H₂O．该电池负极的电极反应式为         ；每消耗3.4g CA₃转移的电子数目为       。
（2）用CA₃燃料电池电解CuSO₄溶液，如图所示，A、B均为铂电极，通电一段时间后，在A电极上有红色固体析出，则B电极上发生的电极反应式为       ；此时向所得溶液中加入8gCuO固体后恰好可使溶液恢复到电解前的浓度，则电解过程中收集到的气体在标准状况下体积为         L。

（3）常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO₃中组成原电池(图1)，测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。

图1                     图2
0～t₁时，原电池的负极是Al片，此时，正极的电极反应式是     ，溶液中的H^＋向      极移动（填“正”或“负”），t₁时，原电池中电子流动方向发生改变，其原因是            。

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________。