第1章 化学反应与能量转化 第2～4节综合拔高练

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第2～4节综合拔高练五年选考练 考点1　原电池和电解池的工作原理与电极反应1.(2019天津理综,6,6分,)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池,其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液,提高电池的容量。下列叙述不正确的是(　　)A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e- 2I-+Br-B.放电时,溶液中离子的数目增大C.充电时,b电极每增重0.65 g,溶液中有0.02 mol I-被氧化D.充电时,a电极接外电源负极2.(2019课标Ⅰ,12,6分,)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是(　　)A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+ 2H++2MV+C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动3.(2019课标Ⅲ,13,6分,)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是(　　)A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l)C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e- ZnO(s)+H2O(l)D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区4.(2018课标Ⅱ,12,6分,)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为:3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是(　　)A.放电时,Cl向负极移动B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2C.放电时,正极反应为:3CO2+4e-2C+CD.充电时,正极反应为:Na++e-Na5.(2018课标Ⅰ,13,6分,)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下图所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为:①EDTA-Fe2+-e- EDTA-Fe3+②2EDTA-Fe3++H2S 2H++S+2EDTA-Fe2+该装置工作时,下列叙述错误的是(　　)A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e- CO+H2OB.协同转化总反应:CO2+H2S CO+H2O+SC.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性6.(2017课标Ⅲ,11,6分,)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为:16Li+xS8 8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是(　　)A.电池工作时,正极可发生反应:2Li2S6+2Li++2e- 3Li2S4B.电池工作时,外电路中流过0.02 mol电子,负极材料减重0.14 gC.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多7.[2018课标Ⅲ,27(3),]KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。①写出电解时阴极的电极反应式:　　　　　　　　。 ②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为　, 其迁移方向是　　　　。 考点2　新情境下电极反应的书写8.(2019北京理综,27节选,)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。①制H2时,连接　　　　。产生H2的电极反应式是　　　　　　　　　　　　　　　。 ②改变开关连接方式,可得O2。③结合①和②中电极3的电极反应式,说明电极3的作用:  　　　。 9.(2019课标Ⅱ,27节选,)环戊二烯可用于制备二茂铁[Fe(C5H5)2,结构简式为],后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。该电解池的阳极为　　　　,总反应为　　　　　　　　　　　　　　。电解制备需要在无水条件下进行,原因为　　　　　　　　　　　　　　。 10.[2019江苏单科,20节选,]CO2的资源化利用能有效减少CO2排放,充分利用碳资源。(2)电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图如下。①写出阴极CO2还原为HCOO-的电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②电解一段时间后,阳极区的KHCO3溶液浓度降低,其原因是　　　　　　。 考点3　金属的腐蚀与防护11.(2017课标Ⅰ,11,6分,)支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是(　　)A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整三年模拟练 应用实践1.()如图所示为新型的甲酸/铁离子燃料电池,具有原料安全、质子电导率高、能量密度高的特点,适合应用在规模化的供电场所。电池外壳采用聚四氯乙烯板,石墨作电极,在M端加入甲酸钠和氢氧化钠的混合液,在N端加入氯化铁和氯化钠的混合液。下列说法错误的是(　　)A.放电时,N端是正极B.M端的电极反应式为HCOO-+OH-+2e- CO2↑+H2OC.电池放电后,在N端通氯气,将Fe2+转化为Fe3+,实现电解质溶液的循环利用D.采用多孔纳米电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,加快反应速率2.(2020重庆育才中学高二上期中,)铜板上铁铆钉长期暴露在潮湿的空气中,形成一层酸性水膜后铁铆钉会被腐蚀,示意图如下。下列说法不正确的是(　　)A.腐蚀过程中铜极上始终只发生:2H++2e- H2↑B.若水膜中溶有食盐将加快铁铆钉的腐蚀C.若在金属表面涂一层油脂能防止铁铆钉被腐蚀D.若将该铜板与直流电源的负极相连,则铁、铜均难被腐蚀3.()用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫,将所得的混合液进行电解循环再生,这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示,下列有关说法中不正确的是(　　)A.X为直流电源的负极,Y为直流电源的正极B.电解一段时间后,阳极区溶液pH增大C.图中的b>aD.该过程中的产品主要为H2SO4和H24.(2020河北张家口模拟,)一种检测空气中甲醛(HCHO)含量的电化学传感器的工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)A.传感器工作时,工作电极电势高B.电池工作时,H+通过交换膜向工作电极附近移动C.当导线中通过1.2×10-6 mol电子时,进入传感器的甲醛的质量为3×10-3 mgD.电池工作时,对电极区电解质溶液的pH增大5.()如图是利用微生物燃料电池处理工业含苯酚(C6H6O)废水的原理示意图,下列说法不正确的是(　　)A.该装置可将化学能转化为电能B.溶液中H+由a极移向b极C.电池工作时,b极区溶液的pH降低D.电极a附近发生的反应是C6H6O-28e-+11H2O 6CO2↑+28H+6.(2020山东省实验中学高三诊断性模拟,)硼酸(H3BO3)为一元弱酸,已知H3BO3与足量NaOH溶液反应的离子方程式为H3BO3+OH- B(OH,H3BO3可以通过电解的方法制备。其工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。下列说法正确的是(深度解析)A.当电路中通过1 mol电子时,可得到1 mol H3BO3B.将电源的正、负极反接,工作原理不变C.阴极的电极反应式为2H2O-4e- O2+4H+D.B(OH穿过阴膜进入阴极室,Na+穿过阳膜进入产品室7.(2020四川宜宾二中高三一诊模拟,)SO2是造成酸雨的主要原因之一,用如图所示装置既可以吸收工厂排放的废气中的SO2,又可以生成一定量的硫酸。下列说法正确的是(　　)A.a为正极,b为负极B.生产过程中氢离子由b极区移向a极区C.从左下口流出的硫酸的溶质质量分数一定大于50%D.负极反应式为SO2+2H2O-2e- S+4H+8.()某品牌电动大巴以高能LiFePO4电池为动力,该电池中左边铝箔浸在LiFePO4中作电池正极,右边铜箔插在碳(石墨)中组成电池负极,中间是聚合物隔膜,作用是只让Li+通过而电子不能通过。电池的结构如图所示。电池工作原理:(1-x)LiFePO4+xFePO4+LixCn LiFePO4+nC。下列说法不正确的是(　　)A.放电时,负极反应式:LixCn-xe- xLi++nCB.放电时,电子由负极经导线→用电器→正极C.充电时,阳极反应式:xLiFePO4-xe- xFePO4+xLi+D.充电时,Li+通过聚合物隔膜由右向左移动9.(2020浙江宁波适应性考试,)双极膜(BP)是阴、阳复合膜,在直流电的作用下,阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-。利用双极膜电渗析法电解食盐水可获得淡水、NaOH和HCl,其工作原理如下图所示,M、N为离子交换膜。下列说法错误的是(　　)A.阴极发生的电极反应为2H++2e- H2↑B.M为阳离子交换膜,N为阴离子交换膜C.若去掉双极膜(BP),阳极室会有Cl2生成D.电路中每转移1 mol电子,两极共得到0.5 mol气体迁移创新10.(2020山西晋中高三高考适应性考试,)采用双极膜电渗析一步法由盐制酸碱的技术进入了工业化阶段,某科研小组研究采用BMED膜堆(如图所示),模拟以精制浓海水为原料直接制备酸和碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极膜(A、D)。已知:在直流电源的作用下,双极膜内中间界面层发生水的解离生成H+和OH-。下列说法不正确的是(　　)A.电极b连接电源的负极B.Ⅱ室口排出的是淡水C.电解质选用Na2SO4,可避免有害气体的产生D.C为阴离子交换膜11.(2020山东青岛高三上期末,)如图是采用新能源储能器件将CO2转化为固体产物,实现CO2的固定和储能灵活应用的装置。储能器件使用的Li-CO2电池组成为钌电极/CO2-饱和LiClO4-DMSO电解液/锂片。下列说法错误的是(　　)A.钌电极为负极,其电极反应式为2Li2CO3+C-4e- 3CO2↑+4Li+B.Li-CO2电池电解液由LiClO4-DMSO溶于水得到C.这种电化学转化方式不仅减少CO2的排放,还可将CO2作为可再生能源载体D.CO2的固定中,每生成1.5 mol气体,可转移2 mol e-                   答案全解全析五年选考练1.D2.B3.D4.D5.C6.D11.C 1.D　由工作原理示意图中Zn2+迁移的方向可判断放电时a为正极,b为负极。放电时,a极得到电子,发生还原反应,使溶液中离子数目增大,A、B项正确;充电时,a极接外电源的正极,D项错误;充电时,b极为阴极,电极反应式为Zn2++2e- Zn,每增重0.65 g,转移0.02 mol电子,a极为阳极,电极反应式为2I-+Br--2e- I2Br-,转移0.02 mol电子,有0.02 mol I-被氧化,C项正确。2.B　A项,现有工业合成氨的反应条件是高温、高压、催化剂,则题述方法合成氨条件更为温和,同时可将化学能转化为电能,正确;B项,阴(正)极区,在固氮酶催化作用下发生反应N2+6H++6MV+ 2NH3+6MV2+,错误;C项,由B项分析可知正极区N2被还原为NH3,正确;D项,原电池工作时,质子(H+)通过交换膜由负极区向正极区移动,正确。3.D　A项,依题干信息可知正确;B项,充电时阳极发生氧化反应,正确;C项,放电时Zn作负极失去电子,发生氧化反应,正确;D项,放电时,OH-由正极区向负极区迁移。4.D　放电时,负极反应为4Na-4e-4Na+,正极反应为3CO2+4e- C+2C;Na+移向正极,C、Cl移向负极,A、C正确;充电过程与放电过程相反,B正确;充电时,阳极反应为2C+C-4e- 3CO2↑,D错误。5.C　本题考查电解原理的应用。由石墨烯电极区反应①可知该极发生氧化反应,为阳极,则ZnO@石墨烯为阴极。阴极的电极反应为CO2+2H++2e- CO+H2O,A正确;装置工作时涉及三个反应,Fe2+与Fe3+的转化循环进行,总反应为CO2与H2S之间的反应,根据得失电子守恒可知总反应为CO2+H2S CO+H2O+S,B正确;石墨烯与电源正极相连,ZnO@石墨烯与电源负极相连,故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高,C错误;Fe2+、Fe3+均在酸性环境中稳定存在,D正确。6.D　根据图示中Li+移动方向可知,电极a为正极,依次发生S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的转化,A正确;电池工作时负极反应式为Li-e- Li+,当转移0.02 mol电子时,负极消耗的Li的物质的量为0.02 mol,质量为0.14 g,B正确;石墨烯具有导电性,可以提高电极a的导电能力,C正确;电池充电时为电解池,此时Li2S2的量越来越少,D错误。7.答案　①2H2O+2e- 2OH-+H2↑　②K+　a到b解析　①观察电解装置图知,惰性电极a为阳极,惰性电极b为阴极,在碱性条件下,阴极的电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-。②电解过程中,阳极I2失去电子生成I,即I2-10e-+12OH- 2I+6H2O,通过阳离子交换膜的离子主要为K+,迁移方向是从a到b。8.答案　①K1　2H2O+2e- H2↑+2OH-③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e- NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用解析　①控制开关连接K1时,电极1作阴极,H2O在电极周围放电产生H2。③开关连接K1时,电极3作阳极,Ni(OH)2被氧化为NiOOH;开关连接K2时,电极3作阴极,NiOOH被还原为Ni(OH)2。9.答案　Fe电极　 　水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2解析　根据反应历程可知,铁电极溶解生成了Fe2+,故应让Fe电极作电解池的阳极;由反应历程可知,反应物为Fe与环戊二烯,生成物为二茂铁和H2,再根据原子守恒写出总反应式;根据反应历程中有Na生成,水会与Na反应,从而中止反应,且电解过程中水会在阴极生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2。10.答案　(2)①CO2+H++2e- HCOO-或CO2+HC+2e- HCOO-+C②阳极产生O2,pH减小,HC浓度降低;K+部分迁移至阴极区解析　(2)①CO2、HCOO-中碳元素化合价分别为+4、+2价,阴极电极反应式为CO2+2e-+H+HCOO-。②阳极区生成O2:4OH--4e-O2↑+2H2O(或2H2O-4e- O2↑+4H+),溶液pH减小,HC与H+反应生成CO2逸出,K+部分通过阳离子交换膜移向阴极区,故阳极区KHCO3溶液浓度降低。11.C　将被保护的金属(钢管桩)与电源的负极相连,外加保护电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流,使钢管桩表面腐蚀电流接近于零,A项正确;高硅铸铁为惰性辅助阳极,阳极上发生氧化反应,失去电子,电子从高硅铸铁流向钢管桩,B项正确;高硅铸铁为惰性辅助阳极,只是用于传递电流,故阳极材料不损耗,C项错误;金属的腐蚀受环境的影响,故通入的电流要根据环境条件的变化及时进行调整,D项正确。三年模拟练1.B2.A3.B4.D5.C6.A7.D8.D9.D10.D11.B     1.B　放电时,F得到电子生成Fe2+,发生还原反应,则N端是正极,A项正确;M端的电极反应式为HCOO-+3OH--2e- C+2H2O,B项错误;电池放电后,在N端通氯气,氯气具有氧化性,能将Fe2+氧化为F,F在正极得到电子发生还原反应,实现电解质溶液的循环利用,C项正确;其他条件相同时,反应物接触面积越大,反应速率越快,所以采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,从而提高反应速率,D项正确。2.A　根据题图可知,左侧Cu上发生吸氧腐蚀,右侧Cu上发生析氢腐蚀,则右侧铜极上的反应是2H++2e- H2↑,左侧铜极上的反应是O2+4e-+4H+ 2H2O,A错误;若水膜中溶有食盐,增强了吸氧腐蚀介质的导电性,将加快铁铆钉的腐蚀,B正确;在金属表面涂一层油脂,能使金属与氧气隔离,不能构成原电池,所以能防止铁铆钉被腐蚀,C正确;若将该铜板与直流电源的负极相连,相当于电解池的阴极,铁、铜均受到保护而不易被腐蚀,D正确。3.B　由题图可知与X电极相连的电极上发生还原反应:2H++2e- H2↑,所以Pt(Ⅰ)为阴极,X为直流电源的负极,Y为直流电源的正极,A项正确。阴极上发生反应:2H++2e- H2↑,破坏了附近的水的电离平衡,水继续电离,最终导致阴极区的c(OH-)增大,pH增大;阳极上发生反应:S-2e-+H2O S+2H+,HS-2e-+H2O S+3H+,溶液中的c(H+)增大,阳极区溶液的酸性增强,pH减小,B项错误。根据B项的分析可知在阳极区不断产生H2SO4,所以b>a,C项正确。在反应的过程中阳极区不断产生H2SO4,阴极区不断产生H2,阴极区得到的Na2SO3溶液则循环使用,因此该过程中的产品主要为H2SO4和H2,D项正确。4.D　HCHO在工作电极失电子,被氧化,工作电极作原电池的负极,工作电极电势低,故A项错误;根据原电池工作原理可知,电池工作时,溶液中的阳离子向正极移动,即H+向对电极附近移动,故B项错误;负极反应为HCHO+H2O-4e- CO2+4H+,当电路中转移1.2×10-6 mol电子时,消耗HCHO的物质的量为×1.2×10-6 mol=3.0×10-7 mol,消耗HCHO的质量为3.0×10-7 mol×30 g/mol=9×10-6 g=9×10-3 mg,故C项错误;电池工作时,对电极的电极反应为4H++O2+4e- 2H2O,虽然有相同数量的氢离子从负极迁移过来,但是反应后生成水,由于溶液的体积增大,正极区溶液的酸性减弱,其pH增大,故D项正确。5.C　根据题图知,该装置没有外接电源,是原电池,原电池是将化学能转化为电能的装置,故A正确;放电时,电解质溶液中阳离子向正极移动,根据电子流向知,a极是负极、b极是正极,溶液中H+由a极移向b极,故B正确;b极的电极反应为7O2+28e-+28H+ 14H2O,a极的电极反应为C6H6O-28e-+11H2O 6CO2↑+28H+,b极上消耗H+,生成水,虽有相同数量的H+从a极迁移到b极,但溶液体积增大,b极区溶液的酸性减弱,其pH增大,故C错误,D正确。6.A　阳极发生失电子的氧化反应,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,电路中通过1 mol电子时有1 mol H+生成,硼酸(H3BO3)为一元弱酸,生成1 mol硼酸需要1 mol H+,所以电路中通过1 mol电子时,可得到1 mol H3BO3,A正确;根据以上分析可知,如果将电源的正、负极反接,工作原理发生变化,B错误;电解时阴极发生得电子的还原反应,电极反应式为4H2O+4e- 2H2↑+4OH-,C错误;阳极室中的氢离子穿过阳膜进入产品室,B(OH穿过阴膜进入产品室,发生反应:B(OH+H+ H2O+H3BO3,Na+穿过阳膜进入阴极室,D错误。方法点拨本题涉及了离子交换膜的问题。电解池里离子的迁移方向为阳离子向阴极迁移,阴离子向阳极迁移,离子交换膜的使用不影响离子的迁移方向。7.D　由题图可知,此装置为原电池。a极发生氧化反应,为负极,b极为正极,A错误。原电池中阳离子向正极迁移,故H+由a极区向b极区迁移,B错误。负极区有H2SO4生成,但有H+向b极区迁移,同时水也在增加,则硫酸的溶质质量分数不一定大于50%,C错误。负极反应式为SO2+2H2O-2e- S+4H+,D正确。8.D　放电时,LixCn失去电子发生氧化反应,根据化合价变化,可得负极反应式:LixCn-xe- xLi++nC,A项正确;放电时,电子由负极流出,经过导线进入用电器,再经过导线流回正极,B项正确;充电时阳极发生氧化反应,根据电池工作原理和元素化合价变化,可知充电时LiFePO4失去电子,阳极反应式为xLiFePO4-xe- xFePO4+xLi+,C项正确;在充电过程中,阳极区的Li+通过聚合物隔膜向阴极迁移,即由左向右移动,D项错误。9.D　电解池阴极处发生还原反应,电极反应为2H++2e- H2↑,故A正确;电解时,溶液中的阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,因此M为阳离子交换膜,N为阴离子交换膜,故B正确;电解时,溶液中的阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,溶液中的Cl-向阳极移动,若去掉双极膜(BP),则Cl-会在阳极失去电子,生成Cl2,在阳极室会有Cl2生成,故C正确;由于有双极膜(BP)的存在,在直流电的作用下,阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-,阴极反应为2H++2e- H2↑,阳极反应为4OH--4e- O2↑+2H2O,当电路中通过1 mol电子时,阴极得到0.5 mol H2,阳极得到0.25 mol O2,两极一共得到气体的物质的量为0.5 mol+0.25 mol=0.75 mol,故D错误。10.D　由题图可知电极b是阴极,应连接电源的负极,故A正确;钠离子移向Ⅲ室,氯离子移向Ⅰ室,Ⅱ室口排出的是淡水,故B正确;加入Na2SO4,可增强溶液的导电性,Ⅱ室中的氯离子移向Ⅰ室,A处生成的H+进入Ⅰ室,在Ⅰ室得到HCl,可避免有害气体的产生,故C正确;钠离子通过C移向Ⅲ室,C为阳离子交换膜,故D错误。11.B　由题图可知,钌电极上的电极反应式为2Li2CO3+C-4e- 4Li++3CO2↑,A正确;由题意可知,Li-CO2电池中有活泼金属Li,所以电解液不能由LiClO4-DMSO溶于水得到,B错误;由题图可知,CO2通过储能系统和CO2固定系统转化为固体产物C,则这种电化学转化方式不仅减少CO2的排放,还可将CO2作为可再生能源载体,C正确;由题图可知,CO2的固定中的电极反应式为2Li2CO3-4e- 2CO2↑+O2↑+4Li+,每生成1.5 mol气体,可转移2 mol e-,D正确。