备考2024届高考化学一轮复习分层练习第六章化学反应与能量变化第8讲多池连接及电化学的相关计算

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1.[2023青岛调研]设计如图装置处理含甲醇的废水并进行粗铜的精炼。下列说法正确的是（ D ）
A.甲电极增加的质量等于乙电极减少的质量
B.装置工作一段时间后，原电池装置中溶液的pH不变
C.理论上每产生标准状况下1.12 L CO2，甲电极增重6.4 g
D.原电池正极反应式为FeO42－＋3e－＋8H＋Fe3＋＋4H2O
解析 由题意可知，该装置中左池为原电池，右池为电解池。
甲电极为阴极，发生反应Cu2＋＋2e－Cu，乙电极为阳极，先是锌、铁等杂质放电，后是铜放电，因此甲电极增加的质量不等于乙电极减少的质量，A项错误；原电池装置中总反应为2FeO42－＋CH3OH＋4H＋2Fe（OH）3↓＋CO2↑＋H2O，c（H＋）减小，溶液的pH增大，B项错误；根据CH3OH→CO2失6e－，知理论上每产生标准状况下 1.12 L CO2，转移的电子为·ml－1×6＝0.3 ml，根据甲电极反应及各电极上转移电子数相等可知，甲电极析出0.15 ml Cu，增重9.6 g，C项错误。
2.[浓差电池][2024河北衡水二中考试]利用浓差电池电解Na2SO4溶液（a、b电极均为石墨电极），可制得O2、H2、H2SO4和NaOH，反应原理如图所示。下列说法正确的是（ B ）
A.b电极的电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－
B.c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜
C.浓差电池放电过程中，Cu（1）电极上的电极反应为Cu－2e－Cu2＋
D.当阴极产生2.24 L气体时，电路中转移0.2 ml电子
解析 根据题图电子移动方向可知，b电极为电解池的阳极，H2O电离出的OH－失去电子发生氧化反应生成O2，电极反应为 2H2O－4e－O2↑＋4H＋，A错误；a电极、b电极分别为阴极、阳极，Na＋通过离子交换膜c进入阴极室，SO42－通过离子交换膜d进入阳极室，则c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜，B正确；Cu（1）为原电池的正极，电极反应为Cu2＋＋2e－Cu，Cu（2）为原电池的负极，电极反应为Cu－2e－Cu2＋，C错误；没有说明是否为标准状况，不能计算气体的物质的量，D错误。
3.[电流效率][2024河南安阳调研]如图为一定条件下采用多孔惰性电极的储氢电池充电装置（忽略其他有机物）。已知储氢装置的电流效率η＝生成目标产物消耗的电子数转移的电子总数×100％，下列说法错误的是（ B ）
A.若η＝75％，则参加反应的苯为0.8 ml
B.过程中通过C—H键的断裂实现氢的储存
C.采用多孔电极增大了接触面积，可降低电池能量损失
D.生成目标产物的电极反应式为C6H6＋6e－＋6H＋C6H12
解析 装置右侧反应中C6H6得电子被还原为C6H12，所以装置右侧为阴极，左侧为阳极，阳极的电极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成的O2的物质的量n（O2）＝1.6 ml，反应转移电子的物质的量n（e－）＝1.6 ml×4＝6.4 ml，若储氢装置的电流效率为75％，则生成目标产物环己烷消耗的电子数为6.4 ml×75％＝4.8 ml，生成C6H12的电极反应为C6H6＋6e－＋6H＋C6H12，则反应消耗的苯为0.8 ml，A、D正确；苯转化为环己烷的反应是加成反应，反应过程中断裂了苯分子中的大π键，B错误；采用多孔电极增大了物质的接触面积，可提高电解效率，降低电池能量损失，C正确。
4.[2024浙江名校联考]以某锂离子电池、丙烯腈电合成己二腈[NC（CH2）4CN]的装置如图所示（电极均为石墨）。该锂离子电池的总反应是LixCy＋Li1－xFePO4放电充电Cy＋LiFePO4。下列说法不正确的是（ B ）
A.B为正极，电极反应式为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋LiFePO4
B.阴极区的电极反应为2CH2CHCN＋2e－＋2H＋NC（CH2）4CN，一段时间后，阴极室溶液的pH增大
C.石墨电极C产生O2，稀硫酸的作用为增强溶液导电性
D.当电路中通过1 ml e－时，阳极室溶液质量减少9 g（不考虑氧气溶解）
解析 根据装置图及该锂离子电池的总反应知，放电时Li＋向B极移动，则B为正极，电极反应为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋ LiFePO4，A项正确；A极为负极，则D极为阴极，电极反应为2CH2 CHCN＋2e－＋2H＋ NC（CH2）4CN，阳极区H＋透过质子交换膜进入阴极区，因此阴极室溶液的pH不变，B项错误；C极为阳极，电极反应为2H2O－4e－ O2↑＋4H＋，稀硫酸的作用为增强溶液导电性，C项正确；根据阳极反应2H2O－4e－ O2↑＋4H＋知，当电路中通过1 ml e－时，阳极室析出0.25 ml O2，同时有1 ml H＋进入阴极室，相当于减少0.5 ml H2O，因此阳极室溶液质量减少9 g，D项正确。
5.[2024山东滕州测试]（1）NH3的燃烧反应可设计成燃料电池，工作原理如图甲所示。电极a为 负极 （填“正极”或“负极”）；电极b上的电极反应为 O2＋4e－＋2H2O4OH－ 。当共消耗1.568 L（标准状况）气体时，通过负载的电子的物质的量为 0.12 ml。
图甲
（2）一种肼（N2H4）燃料电池的工作原理如图乙所示。
图乙
①a极的电极反应式为 N2H4－4e－N2↑＋4H＋ ；电池中Fe2＋→Fe3＋的离子方程式为 4Fe2＋＋O2＋4H＋4Fe3＋＋2H2O 。
②若利用该电池给铅酸蓄电池充电，当消耗3.2 g N2H4时，PbO2电极质量 减少 （填“增加”或“减少”） 12.8 g。
解析 （1）NH3失电子生成N2，则电极a为负极；电极b为正极，电极反应为O2＋4e－＋2H2O4OH－。共消耗气体的物质的量为＝0.07 ml，结合关系式：4NH3～3O2～12e－，则参加反应的NH3的物质的量为0.04 ml，通过负载的电子的物质的量为0.04ml4×12＝0.12 ml。（2）①a极，N2H4（l）失电子生成N2，则电极反应式为N2H4－4e－N2↑＋4H＋；电池中Fe2＋→Fe3＋的离子方程式为4Fe2＋＋O2＋4H＋4Fe3＋＋2H2O。②n（N2H4）＝3.2g32g/ml＝0.1 ml，转移电子的物质的量为0.1 ml×4＝0.4 ml，给铅酸蓄电池充电，PbO2电极反应为PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SO42－，则PbO2电极质量减少（303－239） g/ml×0.4ml2＝12.8 g。
6.[结合法拉第常数计算][2023辽宁沈阳二中模拟]室温氟穿梭可充电电池装置如图所示，负极为Ce/CeF3电极，正极为CuF2/Cu电极，氟氢离子液体{含H＋和[（FH）nF]－，n＝2或3}作电解质，已知放电时正极的电极反应式为CuF2＋2e－＋4[（FH）3F]－Cu＋6[（FH）2F]－，法拉第常数F＝96 500 C/ml。下列说法正确的是（ D ）
A.充电时，[（FH）nF]－移向Ce/CeF3电极
B.用铅酸蓄电池为该电池充电时，每生成1 ml CeF3，Pb极增重9.6 g
C.CuF2/Cu电极每减少3.8 g，该电池输出的电荷量为4 825 C
D.放电时，负极发生的电极反应为Ce＋9[（FH）2F]－－3e－CeF3＋6[（FH）3F]－
解析 放电时负极的电极反应较复杂，但正极反应式已给出，电池总反应很容易书写，则选用“加减法”：
放电时，负极为Ce/CeF3电极，正极为CuF2/Cu电极，则充电时，阴极为Ce/CeF3电极，阳极为CuF2/Cu电极。充电时，阴离子向阳极移动，则[（FH）nF]－移向CuF2/Cu电极，A错误。放电时，Ce/CeF3电极生成CeF3，则充电时Ce/CeF3电极应消耗CeF3，B错误。放电时，CuF2/Cu电极的电极反应式为CuF2＋4[（FH）3F]－＋2e－Cu＋6[（FH）2F]－，该电极每减少3.8 g，转移电子3.8g38g/ml×2＝0.2 ml，该电池输出的电荷量为96 500 C/ml×0.2 ml＝19 300 C，C错误。
7.[2024山东枣庄八中考试改编]利用CH4燃料电池电解制备Ca（H2PO4）2并得到副产物NaOH、H2、Cl2，装置如图所示。下列说法错误的是（ D ）
A.a极的电极反应式为CH4＋4O2－－8e－ CO2＋2H2O
B.A膜和C膜均为阳离子交换膜
C.X室为阳极室
D.b极上消耗2.24 L O2，Y室中Na＋增加0.4 ml
解析 甲烷燃料电池中通入甲烷的一极为负极，通入氧气的一极为正极。
由以上分析可知，A项正确；根据各室进出口溶液的浓度变化可知，X室中Ca2＋通过A膜进入产品室，原料室中H2PO4－通过B膜进入产品室、Na＋通过C膜进入Y室，故B膜是阴离子交换膜，A膜和C膜均为阳离子交换膜，B项正确；X室为阳极室，C项正确；没有指明是否为标准状况，不能计算氧气的物质的量，D项错误。
8.[能量密度][全国Ⅰ高考]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93 kW·h·kg－1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为 CH3OCH3－12e－＋3H2O2CO2↑＋12H＋ ，一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生 12 个电子的电荷量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E＝ 1.20V×1000g46g·ml－1×12×96500C·ml－11kg÷（3.6×106J·kW－1·h－1）≈8.39 kW·h·kg－1 （列式计算。能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J）。
解析 电解质为酸性时，二甲醚在燃料电池的负极上发生氧化反应，生成CO2和H＋，CH3OCH3中碳元素的化合价可看作－2，CO2中碳元素的化合价为＋4，所以1 ml CH3OCH3失去12 ml 电子，负极反应为CH3OCH3－12e－＋3H2O2CO2↑＋12H＋。假设燃料二甲醚的质量为1 kg，则只要知道电池的输出电能就能计算出能量密度。1 kg二甲醚的物质的量为1000g46g·ml－1，1 kg二甲醚失去电子的物质的量为1000g46g·ml－1×12，那么1 kg二甲醚所产生的电荷量为1000g46g·ml－1×12×96 500 C·ml－1。根据电能公式W＝UQ计算出电能，再求出能量密度，为1.20 V×1000g46g·ml－1×12×96 500 C·ml－1÷1 kg÷（3.6×106J·kW－1·h－1）≈8.39 kW·h·kg－1。
9.[模拟工业废水废气处理][2023山东泰安二模改编]NO－空气质子交换膜燃料电池实现了制硝酸、发电、环保一体化，某兴趣小组用该电池模拟工业处理废气和废水的过程，装置如图所示。下列说法错误的是（ D ）
A.交换膜b为阴离子交换膜
B.乙池中总反应的离子方程式为5SO2＋2NO＋8H2O＋8NH3电解10NH4＋＋5SO42－
C.当浓缩室得到4 L 0.6 ml·L－1盐酸时，M室溶液的质量变化为18 g（溶液体积变化忽略不计）
D.若甲池有0.25 ml O2参加反应，则乙池中处理废气（SO2和NO）的总体积为15.68 L（标准状况）
解析 NO－空气质子交换膜燃料电池中通入空气的一极为原电池（甲池）的正极，通入NO的一极为原电池（甲池）的负极。乙池和丙池均为电解池，乙池的左侧电极与电源正极相连，为阳极；丙池的右侧电极与电源负极相连，为阴极。丙池左侧电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，产生的H＋通过交换膜a，与通过交换膜b移向浓缩室的Cl－形成HCl，所以交换膜b为阴离子交换膜，A正确。乙池中SO2被氧化为SO42－，NO被还原为NH4＋，反应还有NH3参与，由得失电子守恒和原子守恒可得总反应的离子方程式为5SO2＋2NO＋ 8H2O＋8NH3电解10NH4＋＋5SO42－，B正确。丙池左侧电极的电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，当浓缩室得到4 L 0.6 ml·L－1盐酸时，M室转移至浓缩室的H＋的物质的量为4 L×（0.6－0.1）ml·L－1＝2 ml，所以M室生成2 ml H＋，相当于减少1 ml H2O，则M室溶液的质量变化为18 g，C正确。甲池中O2得电子被还原，则O2～4e－，有0.25 ml O2参与反应时，转移1 ml e－，因为甲池与乙池串联，则乙池中也转移1 ml e－，根据总反应式，有0.5 ml SO2和0.2 ml NO被处理，则处理SO2和NO的体积为0.7 ml×22.4 L·ml－1＝15.68 L，D错误。