高中化学探究电解池作用试题

【改编】(18分)能源的开发和利用是当前科学研究的重要课题。
（1）利用二氧化铈(CeO2)在太阳能作用下前实现如下变废为宝的过程：
mCeO₂(m-x)CeO₂xCe+xO₂
(m-x)CeO₂xCe+xH₂O+xCO₂mCeO₂+xH₂+xCO
上述过程的总反应平衡常数表达式为              。该反应能量转化方式为             。
（2）CH₃OH、O₂和KOH溶液构成的燃料电池的负极电极反应式为                。该电池反应可获得K₂CO₃溶液，某温度下0.5molL^-1 K₂CO₃溶液的pH=12，若忽略CO₃^2-的第二级水解，则CO₃^2- +H₂OHCO₃^-+OH^-的平衡常熟K_h=         。
（3）氯碱工业是高耗能产业，下列将电解池与燃料电池相组合的工艺可以节能30％以上。

①电解过程中发生反应的离子方程式是             ，阴极附近溶液PH       (填“不变”、“升高”或“下降”)。
②如果粗盐中SO₄^2-含量较高，精制过程需添加钡试剂除去SO₄^2-，证明SO₄²‾已经完全沉淀的方法是                                                                             。
现代工艺中更多使用BaCO₃除SO₄^2-，请写出发生反应的离子方程式                              。
③图中氢氧化钠溶液的质量分数a％  b％(填“>”、‘‘=”或“<”)，，燃料电池中正极上发生的电极反应为                 。

(14)天然气是重要的化石燃料和工业原料，其主要成分为甲烷。

（1）CO₂气体排放会产生温室效应，将通入CO₂碳化了的水在如图1所示的电解池阴极区进行电解，可以直接产生甲烷，加入硫酸钠为了增加导电性。
①写出电解时阴极的电极反应式           。
②电解时电解池采用阳离子交换膜，若采用阴离子交换膜会对电解产生的影响为           。
（2）将甲烷和硫反应可以制备CS₂，其流程如下：

①反应1产生两种含硫的物质，则该反应方程式为           。
②反应当中，每有1molCS₂生成时，需要消耗O₂的物质的量为           。
③为了将含硫化合物充分回收，实验时需对反应1出来的气体分流，则进入反应2和反应3的气体气体关系为           。
（3）甲烷在高温下分解生成烃和氢气，若反应在不同温度下达到平衡时，混合气体中各组分的体积分数如图2所示，甲烷在高温下分解反应的化学方程式为        。

硫在地壳中主要以硫化物、硫酸盐等形式存在，其单质和化合物在工农业生产中有着重要的应用，但硫的氧化物直接排放到大气中会造成污染。
（1）一种以铜作催化剂脱硫有如下两个过程：
①在铜的作用下完成工业尾气中SO₂的部分催化氧化，所发生反应为：
2SO₂＋2n Cu＋(n＋1)O₂＋(2－2 n) H₂O＝2n CuSO₄＋(2－2n) H₂SO₄
从环境保护的角度看，催化脱硫的意义为      ；
每吸收标准状况下11.2L SO₂，被SO₂还原的O₂的质量为      g。
②利用下图所示电化学装置吸收另一部分SO₂，并完成Cu的再生。写出装置内所发生反应的离子方程式      。

（2）碘循环工艺不仅能吸收SO₂降低环境污染，同时又能制得氢气，具体流程如下：

①用离子方程式表示反应器中发生的反应      。
②用化学平衡移动的原理分析，在HI分解反应中使用膜反应器分离出H₂的目的是      。
（3）向等物质的量浓度Na₂S、NaOH混合溶液中滴加稀盐酸至过量。其中主要含硫各物种（H₂S、HS^—、S^2—）的分布分数（平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数）与滴加盐酸体积的关系如下图所示（忽略滴加过程H₂S气体的逸出）。

①写出图中由2到3段的反应离子方程式      。
②NaHS溶液呈碱性，若向溶液中加入CuSO₄溶液，恰好完全反应，所得溶液呈强酸性，其原因是          （用离子方程式表示）。

【改编】污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题。某研究小组利用软锰矿(主要成分为MnO₂，另含有少量铁、铝、铜、镍等金属化合物)作脱硫剂，通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO₂，又制得电池材料MnO₂(反应条件已省略)。

请回答下列问题：
（1）上述流程中多次涉及到过滤操作，下图表示的过滤操作中的一处错误是_______；过滤后的沉淀需要洗涤，则实验室进行沉淀洗涤的操作是                 。

（2）用MnCO₃能除去溶液中的Al^3＋和Fe^3＋，检验滤液中不存在Fe^3＋的实验操作是_____________。
（3）已知K_sp(CuS)＝8.4×10^－45，K_sp(NiS)＝1.4×10^－24；在除铜镍的过程中，当Ni^2＋恰好完全沉淀 (此时溶液中c(Ni^2＋)＝1.0×10^－5mol/L)，溶液中Cu^2＋的浓度是      mol/L。
（4）工业上采用电解K₂MnO₄水溶液的方法来生产KMnO₄，其中隋性电极作阳极，铁作阴极，请写出阴极的电极反应式                                   。
（5）下列各组试剂中，不能准确测定一定体积燃煤尾气中SO₂含量的是__________。(填编号)
a.NaOH溶液、酚酞试液            b.稀H₂SO₄酸化的KMnO₄溶液
c.碘水、淀粉溶液                 d.氨水、酚酞试液
（6）除杂后得到的MnSO₄溶液可以通过             (填操作名称)。高锰酸钾与硫酸锰反应制备MnO₂的离子方程式为_____________。

MnO₂是一种重要的无机功能材料，粗MnO₂的提纯是工业生产的重要环节。某研究性学习小组设计了将粗MnO₂（含有较多的MnO和MnCO₃）样品转化为纯MnO₂的实验，其流程如下：

（1）在第①步反应中，为加快反应速率，可采取的措施有                    （任写一种），产生CO₂气体的的方程式是                                                         ；
（2）写出步骤②中所发生的离子方程式                                         ；
（3）如果蒸发得到的固体中，只含NaClO₃和NaCl,为得到比较纯的NaClO₃溶液，结合下面各物质的溶解度与温度的关系，
。
其基本操作是：将固体溶于适量水，通过       ，        ，便可得到较纯的NaClO₃溶液。
（4）工业上也常用石墨做电极，电解酸化的MnSO₄溶液来制MnO₂,则阳极上所发生的离子方程式       。

（1）甲醇可作为燃料电池的原料。以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇。
① CH₄(g)+H₂O(g)＝CO(g) + 3H₂(g)  △H ＝+206.0 kJ·mol^－1
② CO(g)+2H₂(g)＝CH₃OH (g)        △H＝－129.0 kJ·mol^－1
CH₄(g)与H₂O(g)反应生成CH₃OH (g)和H₂(g)的△H＝          。
（2）将1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O ( g )通入容积为10 L的反应器，在一定条件下发生反应①，测得在一定压强下CH₄的转化率与温度的关系如图。

假设100℃时达到平衡所需的时间为5 min，则用H₂表示该反应的平均反应速率为    mol·L^-1·min^-1。
（3）在某温度和压强下，将一定量 CO与H₂充入密闭容器发生反应②生成甲醇，平衡后压缩容器体积至原来的l/2，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是     (填序号)：

A．c ( H2 )减少；

B．平衡常数K增大；

C．CH3OH 的物质的量增加；

D．正反应速率加快，逆反应速率减慢；

E.重新平衡c ( H₂ )/ c (CH₃OH )减小
（4）电解法可消除甲醇对水质造成的污染，原理是：通电将Co²⁺氧化成Co³⁺，然后Co³⁺将甲醇氧化成CO₂和H⁺（用石墨烯吸附除去Co²⁺）。现用图装置模拟上述过程，

则：Co²⁺在阳极的电极反应式为：              ；除去甲醇的离子方程式为                 。

(16分)汽车尾气中CO、NO_x 以及燃煤废弃中的SO₂都是大气污染物，对它们的治理具有重要意义。吸收SO₂和NO，获得Na₂S₂O₄和NH₄NO₃产品的流程图如下(Ce为铈元素)：

（1）装置Ⅰ中，NaOH溶液吸收SO₂也可生成Na₂SO₃和NaHSO₃的混合溶液
①写出NaOH溶液吸收SO₂生成等物质的量的Na₂SO₃和NaHSO₃混合溶液时总反应的离子方程式           。
②已知混合液pH随：n（）变化关系如下表：

	91：9	1：1	9：91
	8.2	7.2	6.2

当混合液中时，c(Na⁺)      c(HSO₃^-)+ 2c(SO₃^2-)（填“>”“=”或“<”）
（2）装置Ⅱ中，酸性条件下，NO被Ce⁴⁺ 氧化的产物主要是NO₃^- 、NO₂^- ，写出只生成NO₂^-的离子方程式                       ；
（3）装置Ⅲ的作用之一是再生Ce⁴⁺，其原理如下图所示。

①生成的Ce⁴⁺从电解槽的         (填字母序号)口流出；
②生成S₂O₄^{2 -} 的电极反应式为                           ；
（4）已知进入装置Ⅳ的溶液中，NO₂^- 的浓度为a g·L^{- 1} ，要使1m³该溶液中的NO₂^- 完全转化为NO₃^-，至少需向装置Ⅳ中通入标准状况下的O₂         L。(用含a代数式表示)

煤粉中的氮元素在使用过程中的转化关系如下图所示：

（1）②中NH₃参与反应的化学方程式为          。
（2）③中加入的物质可以是          （填字母序号）。
a.空气       b.CO         c.KNO₃         d.NH₃
（3）焦炭氮中有一种常见的含氮有机物吡啶（），其分子中相邻的C和N原子相比，N原子吸引电子能力更          （填“强”或“弱”），从原子结构角度解释原因：        。
（4）已知：N₂(g) ＋ O₂(g)===2NO(g)    ΔH =" a" kJ·mol^-1
N₂(g) ＋ 3H₂(g)===2NH₃(g)    ΔH =" b" kJ·mol^-1
2H₂(g) ＋ O₂(g)===2H₂O(l)    ΔH =" c" kJ·mol^-1
反应后恢复至常温常压，①中NH₃参与反应的热化学方程式为          。
（5）用间接电化学法除去NO的过程，如下图所示：

已知电解池的阴极室中溶液的pH在4~7之间，写出阴极的电极反应式：          。
用离子方程式表示吸收池中除去NO的原理：          。

液氨是一种良好的储氢物质。
已知：①2NH₃(g)  N₂ (g)＋3H₂(g)    ΔH =＋92.4 kJ·mol^－1
②液氨中2NH₃(l)  NH₂^－ ＋NH₄^＋
（1）氨气自发分解的反应条件是        (填“低温”或“高温”)。
（2）图1为某温度下等质量的不同金属分别催化等浓度氨气分解生成氢气的初始速率。反应的活化能最大的是          (填催化剂的化学式)。

（3）其他条件相同，反应①在不同催化剂作用下反应相同时间后，氨气的转化率随反应温度的变化如图2所示。
①a点所代表的状态________(填“是”或“不是”)平衡状态。
②c点氨气的转化率高于b点，原因是                                     。
③请在图2中再添加一条Ni催化分解氨气过程的总趋势曲线。
④假设Ru催化下，温度为750 ℃时，氨气的初始浓度为c₀，平衡转化率为40%，则该温度下此反应的平衡常数K =                  。
（4）用Pt电极对液氨进行电解也可产生H₂和N₂。阴极的电极反应式是                    。

(15分)高锰酸钾[KMnO₄]是常用的氧化剂。工业上以软锰矿(主要成分是MnO₂)为原料制备高锰酸钾晶体。中间产物为锰酸钾[K₂MnO₄]。下图是实验室模拟制备的操作流程：

相关资料：
①物质溶解度

物质	KMnO4	K2CO3	KHCO3网]	K2SO4	CH3COOK
20℃溶解度	6.4	111	33.7	11.1	217

②锰酸钾[K₂MnO₄]
外观性状：墨绿色结晶。其水溶液呈深绿色，这是锰酸根(MnO₄^2—)的特征颜色。
化学性质：在强碱性溶液中稳定，在酸性、中性和弱碱性环境下，MnO₄^2—会发生歧化反应。
试回答下列问题：
（1）煅烧软锰矿和KOH固体时，不采用石英坩埚而选用铁坩埚的理由是______________；
实验中用铁坩埚煅烧暴露在空气中的固体混合物发生反应的化学方程式为_______。
（2）实验时，若CO₂过量会生成KHCO₃，导致得到的KMnO₄产品的纯度降低。请写出实验中通入适量CO₂时体系中可能发生反应离子方程式 ：                           ；
其中氧化还原反应中氧化剂和还原剂的质量比为_________________________。
（3）由于CO₂的通人量很难控制，因此对上述实验方案进行了改进，即把实验中通CO₂改为加其他的酸。从理论上分析，选用下列酸中________ ，得到的产品纯度更高。
A．醋酸             B．浓盐酸             C．稀硫酸
（4）工业上一般采用惰性电极电解锰酸钾溶液制取高锰酸钾，试写出该电解反应的化学方程为_________；
传统工艺采用无膜电解法由于副反应发生，Mn元素利用率和电流效率都会偏低。有同学联想到离子交换膜法电解饱和食盐水提出改进方法：可用阳离子交换膜分隔两极区进行电解(如图)。

图中A口加入的溶液最好为__________。
使用阳离子交换膜可以提高Mn元素利用率的原因为_______________。

脱去冶金工业排放烟气中SO₂的方法有多种。
（1）热解气还原法。已知CO还原SO₂生成S(g)和CO₂过程中，每转移1mol电子需吸收2.0 kJ的热量，则该反应的热化学方程式为    。
（2）离子膜电解法。利用硫酸钠溶液吸收SO₂，再用惰性电极电解。将阴极区溶液导出，经过滤分离硫磺后，可循环吸收利用，装置如图1所示，则阴极的电极反应式为    ，阳极产生气体的化学式为    。

（3）氧化锌吸收法。配制ZnO悬浊液（含少量MgO、CaO），在吸收塔中封闭循环脱硫，发生的主要反应为ZnO＋SO₂ = ZnSO₃(s)，测得pH、吸收效率η随时间t的变化如图2所示。

①该反应常温能自发进行的原因是    。
②纯ZnO的悬浮液pH约为6.8，结合图2和图3，下列说法正确的是    。
A．向ZnSO₃与水混合体系中加稀硫酸，硫元素会以SO₂形式逸出
B．pH-t曲线ab段发生的主要反应为ZnO＋SO₂=ZnSO₃
C．pH-t曲线cd段发生的主要反应为ZnSO₃＋SO₂＋H₂O =" Zn" (HSO₃)₂
D．pH=7时，溶液中c(SO₃^2-) = c(HSO₃^-)
③为提高SO₂的吸收效率η，可采取的措施为    。
A．增大悬浊液中ZnO的量
B．适当提高单位时间内烟气的循环次数
C．调节溶液的pH至6.0以下

某化学兴趣小组进行有关电解食盐水的探究实验，电解装置如右图所示。

实验一：电解饱和食盐水。
（1）简述配制饱和食盐水的操作：
（2）电解饱和食盐水的离子方程式为
实验二：电解不饱和食盐水及产物分析。
相同条件下，电解1 mol·L^一1NaCl溶液并收集两极产生的气体。在X处收集到V₁mL气体，同时，在Y处收集到V₂mL气体，停止电解。结果发现V₂＜V₁，且与电解饱和食盐水相比，Y处收集到的气体颜色明显较浅。经讨论分析，导致上述现象的原因有：
i．有部分C1₂溶解于NaCl溶液中；ii．有0₂生成。
（3）设计实验证明有部分C1₂溶解于NaCl溶液中。实验方案为      。
（4）证明有O₂生成并测定O₂的体积。
按如图所示装置进行实验。通过注射器缓缓地将在Y处收集到的V₂mL气体全部推入装置A(盛有足量试剂）中，最终，量气管中收集到V₃mL气体（设均在相同条件下测得）。

①装置A的作用是    。
②本实验中，观察到   的现象，说明石墨电极上有0₂生成。
③实验中是否需要预先除净装置中的空气？   （填“是”或“否”）。
（5）实验二中，在石墨电极上生成Cl₂的总体积为    mL（用代数式表示）。
实验反思：
（6）由以上实验推知，欲通过电解食盐水持续地获得较纯净的氯气，电解时应控制的条件：
①     ；②      。要进一步证明该推论，还需进行电解不同浓度食盐水的平行实验。

(15分)重金属元素铬的毒性较大，含铬废水需经处理达标后才能排放。
Ⅰ.某工业废水中主要含有Cr^3＋，同时还含有少量的Fe^3＋、Al^3＋、Ca^2＋和Mg^2＋等，且酸性较强。为回收利用，通常采用如下流程处理：

注：部分阳离子常温下以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH见下表。

氢氧化物	Fe(OH)3	Fe(OH)2	Mg(OH)2	Al(OH)3	Cr(OH)3
pH	3.7	9.6	11.1	8	9(>9溶解)

（1）氧化过程中可代替H₂O₂加入的试剂是________(填序号)。
A．Na₂O₂     B．HNO₃    C．FeCl₃     D．KMnO₄
（2）加入NaOH溶液调整溶液pH＝8时，除去的离子是________；已知钠离子交换树脂的原理：M^n＋＋nNaR―→MR_n＋nNa^＋，此步操作被交换除去的杂质离子是__________。
A．Fe^3＋      B．Al^3＋      C．Ca^2＋      D．Mg^2＋
（3）还原过程中，每消耗0.8 mol Cr₂O转移4.8 mol e^－，该反应离子方程式为________________。
Ⅱ.酸性条件下，六价铬主要以Cr₂O形式存在，工业上常用电解法处理含Cr₂O的废水：
该法用Fe作电极电解含Cr₂O的酸性废水，随着电解进行，在阴极附近溶液pH升高，产生Cr(OH)₃溶液。
（1）电解时能否用Cu电极来代替Fe电极？________(填“能”或“不能”)，理由是______________。
（2）电解时阳极附近溶液中Cr₂O转化为Cr^3＋的离子方程式为___________________。
（3）常温下，Cr(OH)₃的溶度积K_sp＝1×10^－32，溶液的pH应为____时才能使c(Cr^3＋)降至10^－5 mol·L^－1。

铵盐是一种重要的水体污染物。某课题组利用电解法，在含Cl^-的水样中，探究将NH₄⁺转化为N₂而脱氮的影响因素和反应机理。
（1）电解法脱氮的原理可能如下：
①直接电氧化
在碱性条件下，发生2NH₃ + 6OH^- - 6e^- = N₂ + 6H₂O反应的电极为     （填“阴”、“阳”）极；
②-OH(自由羟基)电氧化
在电流作用下，利用产生的强氧化性中间产物OH脱氮，-OH中O元素的化合价    ；
③间接电氧化
利用电解产生的Cl₂，与H₂O作用生成HClO进行脱氮。请写出HClO在酸性条件下氧化NH₄⁺的离子方程式                  。
（2）探究适宜的实验条件
下图为不同电流强度下脱氮的效果，综合考虑能耗因素，电流强度应选择    A。

（3）该课题组进一步探究脱氮过程中的强氧化性的活性中间产物，提出了如下假设，请你完成假设三：
假设一：只有·OH；    
假设二：只有HClO；  
假设三：               。
（4）请你设计实验探究脱氮过程中是否有·OH产生，完成下表内容。

实验方案	预期实验结果和结论
配制一定pH、NH4^+和Cl^-浓度的溶液，用最佳电流强度，电解样品90min后，采用电子自旋共振法检测样品中·OH

（5）研究得知，脱氮过程主要以原理③为主，弱酸性溶液中比强酸溶液中更利于使NH₄⁺转化为N₂而脱氮，请从化学平衡移动的角度解释其原因                。

(14分)世界环保联盟建议全面禁止使用氯气用于饮用水的消毒，而建议采用高效“绿色”消毒剂二氧化氯。二氧化氯是一种极易爆炸的强氧化性气体，易溶于水、不稳定、呈黄绿色，在生产和使用时必须尽量用稀有气体进行稀释，同时需要避免光照、震动或加热。实验室以电解法制备ClO2的流程如下：

已知：①NCl₃是黄色黏稠状液体或斜方形晶体，极易爆炸，有类似氯气的刺激性气味，自然爆炸点为95℃，在热水中易分解，在空气中易挥发，不稳定。②气体B能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。
回答下列问题：
（1）电解时，发生反应的化学方程式为_____________________________________。实验室制备气体B的化学方程式为____________________________。为保证实验的安全，在电解时需注意的问题是：①控制好生成NCl₃的浓度；②_______________________。
（2）NCl₃与NaClO₂（亚氯酸钠）按物质的量之比为1∶6混合，在溶液中恰好反应生成ClO₂，该反应的离子方程式为_________________________________________ 。
（3）ClO₂很不稳定，需随用随制，产物用水吸收得到ClO₂溶液。为测定所得溶液中ClO₂的含量，进行了下列实验：
步骤1：准确量取ClO₂溶液10 mL，稀释成100 mL试样；
步骤2：量取V1 mL试样加入到锥形瓶中，调节试样的pH≤2.0，加入足量的KI晶体，摇匀，在暗处静置30 min
步骤3：以淀粉溶液作指示剂，用c mol/L Na₂S₂O₃溶液滴定至终点，消耗Na₂S₂O₃溶液V₂ mL。（已知I₂＋2S₂O₃^2－＝2I^－＋S₄O₆^2－）
①上述步骤3中滴定终点的现象是_______________________________；
②根据上述步骤可计算出原ClO₂溶液的浓度为___________g/L（用含字母的代数式表示）。