高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第1章 化学反应与能量转化微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用随堂练习题

微项目　设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案

基础练习

1.一种突破传统电池设计理念的镁—锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是              (　　)

A.放电时,Mg(液)层的质量减小

B.放电时正极反应为Mg2++2e- Mg

C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应

D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动

2.(2020山东临沂高三期末)一种将CO2和H2O转化为燃料H2、CO及CH4的装置如图所示(电解质溶液为稀硫酸)。下列关于该装置的叙述错误的是              (　　)

A.该装置可将电能转化为化学能

B.工作时,电极a周围溶液的pH增大

C.电极b上生成CH4的电极反应式为CO2+8H++8e- CH4+2H2O

D.若电极b上只产生1 mol CO,则通过质子交换膜的H+数目为2NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)

3.(2020北京通州高考一模)我国在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展,相关装置如图所示。下列说法正确的是              (　　)

A.该制氢工艺中光能最终转化为化学能

B.该装置工作时,H+由b极区流向a极区

C.a极上发生的电极反应为Fe3++e- Fe2+

D.a极区需不断补充含Fe3+和Fe2+的溶液

4.(2020山西太原高二期末)人工光合系统装置(如图)可实现以CO2和H2O合成CH4。下列有关说法不正确的是              (　　)

A.该装置中铜为正极

B.电池工作时,H+向Cu电极移动

C.GaN电极的电极反应式:2H2O-4e- O2↑+4H+

D.反应CO2+2H2O CH4+2O2中每消耗1 mol CO2转移4 mol e-

5.(2021山东济南外国语学校高三上月考)氢能源是最具应用前景的能源之一。可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作原理如图所示(电极1、电极2均为惰性电极)。下列说法错误的是              (　　)

A.控制连接开关K1、K2,可交替得到H2、O2

B.碱性电解液改为酸性电解液能达到同样目的

C.接通K1时电极3上的电极反应为Ni(OH)2+OH--e- NiOOH+H2O

D.电极3在交替连接K1或K2过程中得以循环使用

6.(2021湖南师大附中高三月考)中科院科学家设计出一套利用SO2和太阳能综合制氢的方案,其基本工作原理如图所示。下列说法错误的是              (　　)

A.该电化学装置中,Pt电极的电势高于BiVO4电极的电势

B.该装置中的能量转化为光能→化学能→电能

C.电子流向:BiVO4电极→外电路→Pt电极

D.BiVO4电极上的电极反应为S-2e-+2OH- S+H2O

素养练习

1.(2020辽宁沈阳东北育才学校高二月考,)某科学家利用二氧化铈(CeO2)在太阳能作用下将H2O、CO2转变为H2、CO。其过程如下:

mCeO2 (m-x)CeO2·xCe+xO2

(m-x)CeO2·xCe+xH2O+xCO2 mCeO2+xH2+xCO

下列说法不正确的是 (　　)

A.该过程中没有消耗CeO2

B.该过程实现了太阳能向化学能的转化

C.图中ΔH1=ΔH2+ΔH3

D.以CO和O2构成的碱性燃料电池的负极反应式为CO+4OH--2e- C+2H2O

2.(2021福建三明一中高二上第一次月考,)2018年5月美国研究人员成功实现在常温常压下用氮气和水生产氨,原理如图所示。下列说法正确的是              (　　)

A.图中能量转化方式只有2种

B.b极发生的电极反应为N2+6H++6e- 2NH3

C.H+向a极区移动

D.a极上每产生22.4 L O2流过电极的电子数为2NA

3.(2020河北衡水中学二轮备考,)如图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个电极由有机光敏染料(S)涂覆在TiO2纳米晶体表面制成,另一个电极由镀铂导电玻璃构成,电池中发生的反应为:

TiO2/S TiO2/S*(激发态)

TiO2/S* TiO2/S++e-

+2e- 3I-

2TiO2/S++3I- 2TiO2/S+

下列关于该电池的叙述错误的是 (　　)

A.电池工作时,是将太阳能转化为电能

B.电池工作时,I-在镀铂导电玻璃电极上放电

C.电池中镀铂导电玻璃为正极

D.电池的电解质溶液中I-和的浓度不会减小

4.(2020河南平顶山高二期末调研,)利用光伏电池提供电能处理废水中的污染物(有机酸阴离子用R-表示),并回收有机酸HR,装置如图所示。下列说法错误的是              (　　)

A.在光伏电池中a极为正极

B.石墨(2)极附近溶液的pH降低

C.c2<c1

D.若两极共收集到3 mol气体,则理论上转移4 mol电子

5.(2020山西运城期末调研,)截至2017年年底,中国光伏发电新增装机容量已达到53 GW,光伏发电累计装机容量达到130.25 GW。图中Ⅰ为光伏并网发电装置,图中Ⅱ为电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图(电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴、阳极均为惰性电极),该装置实现了能量与物质的转化利用。下列叙述中正确的是              (　　)

A.图中Ⅰ中N型半导体为正极,P型半导体为负极

B.图中Ⅱ中电子流向:从B极流向A极

C.X2为氧气

D.工作时,A极的电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e- C+N2↑+6H2O

答案全解全析

基础练习

1.C　放电时,负极Mg失电子生成镁离子,所以Mg(液)层的质量减小,故A正确;放电时,正极镁离子得电子生成Mg,正极反应为Mg2++2e- Mg,故B正确;该电池充电时,Mg-Sb(液)层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,故C错误;该电池充电时,阴离子向阳极移动,即Cl-向中层和下层分界面处移动,故D正确。

2.B　该装置含有外加电源,属于电解池,电解质溶液为稀硫酸,根据题图可知,电极a为阳极,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,电极b为阴极,阴极上生成CH4的电极反应式为CO2+8e-+8H+ CH4+2H2O。该装置为电解池,将电能转化为化学能,故A正确;工作时,电极a的电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,c(H+)增大,pH减小,故B错误;根据上述分析可知,电极b上生成CH4的电极反应式为CO2+8e-+8H+ CH4+2H2O,故C正确;若电极b只产生CO,电极反应式为CO2+2e-+2H+ CO+H2O,产生1 mol CO,消耗2 mol H+,即通过质子交换膜的H+的物质的量为2 mol,数目为2NA,故D正确。

3.A　由图可知,该制氢工艺中光能最终转化为化学能,故A正确;该装置工作时,H+由a极区流向b极区,故B错误;a极上Fe2+失电子,发生氧化反应,a极上发生的电极反应为Fe2+-e- Fe3+,故C错误;由题图可知,a极区不需补充含Fe3+和Fe2+的溶液,故D错误。

4.D　根据电子流向知,GaN是负极、Cu是正极,负极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,正极反应式为CO2+8e-+8H+ CH4+2H2O,在原电池中,阳离子向正极移动,据此分析解答。铜为正极,故A正确;电池工作时,H+向Cu电极移动,故B正确;GaN是负极,负极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,故C正确;反应CO2+2H2O CH4+2O2中每消耗

1 mol CO2转移8 mol e-,故D错误。

5.B　连接开关K1时,电极1为阴极,电极反应为2H2O+2e- 2OH-+

H2↑,连接开关K2时,电极2为阳极,电极反应为4OH--4e- O2↑+2H2O,所以通过控制开关连接K1、K2,可交替得到H2、O2,故A正确。如果碱性电解液改为酸性电解液,电极3上的物质Ni(OH)2和NiOOH均能与酸反应,故B错误。连接K1,电极3为阳极,电极反应为Ni(OH)2-e-+OH- NiOOH+H2O,连接K2,电极3为阴极,电极反应为NiOOH+H2O+e- Ni(OH)2+OH-,电极3在交替连接K1或K2过程中得以循环使用,故C、D正确。

6.B　Pt电极为正极,BiVO4电极为负极,所以Pt电极的电势高于BiVO4电极的电势,故A正确;该装置中光能没有转化为化学能,故B错误;电子从BiVO4电极(负极)经导线流向Pt电极(正极),故C正确;BiVO4电极为负极,发生氧化反应,电极反应为S-2e-+2OH- S+H2O,故D正确。

素养练习

1.C　根据题目给出的反应,可得总反应为H2O+CO2 H2+CO+O2,没有消耗CeO2,故A正确;该过程在太阳能作用下将H2O、CO2转变为H2、CO、O2,实现了太阳能向化学能的转化,故B正确;根据盖斯定律,可得-ΔH1=ΔH2+ΔH3,故C错误;CO在负极上失电子生成CO2,在碱性条件下CO2与OH-反应生成C,故负极反应式为CO+4OH--2e- C+2H2O,故D正确。

2.B　图中能量转化方式有风能转化为电能、太阳能转化为电能、化学能转化为电能等,所以能量转化方式不止2种,故A错误;b极为原电池的正极,正极上氮气转化为氨气,b极发生的电极反应为N2+6H++6e- 2NH3,故B正确;b极为原电池的正极,所以H+向b极区移动,故C错误;a极为负极,电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,每产生标准状况下22.4 L O2,流过电极的电子数为4NA,但题干未指明气体所处状况,故D错误。

3.B　根据示意图可知该装置将太阳能转化为电能,A项正确;在外电路中电子由负极流向正极,则镀铂导电玻璃电极作正极,正极反应式为+2e- 3I-,B项错误,C项正确;该电池的电解质溶液中I-和的浓度不会减小,D项正确。

4.B　根据电子移动的方向,可知在光伏电池中a极为正极,b极为负极,故A正确;石墨(2)为电解池的阴极,阴极上H+得电子生成氢气,c(H+)减小,pH升高,故B错误;石墨(1)为电解池的阳极,阳极上OH-失电子生成氧气,c(H+)增大,H+透过阳膜进入浓缩室,石墨(2)为电解池的阴极,阴极上H+得电子生成氢气,R-透过阴膜进入浓缩室,使得浓缩室中HR的浓度增大,所以c2<c1,故C正确;根据阳极的电极反应:2H2O-4e- 4H++O2↑,阴极的电极反应:4H++4e- 2H2↑,可知若两极共收集到3 mol气体,则理论上转移4 mol电子,故D正确。

5.D　电解池反应时,氮元素化合价由-3价变为0价,则生成氮气的电极A是阳极,电极B是阴极,所以Ⅰ中N型半导体为负极,P型半导体为正极,故A错误;电解时,电子的流向:阳极(A极)→电源正极,电源负极→阴极(B极),故B错误;阴极上水得电子生成氢气和氢氧根离子,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,故C错误;A极为阳极,电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e- C+N2↑+6H2O,故D正确。