考点9 电化学-2024年高考化学试题分类汇编

这是一份考点9 电化学-2024年高考化学试题分类汇编，共28页。试卷主要包含了65 g,MnO2电极生成了0，“绿色零碳”氢能前景广阔，实验室进行铁钉镀锌实验等内容，欢迎下载使用。

选择题
1.(2024·湖北选择考·2)2024年5月8日,我国第三艘航空母舰福建舰顺利完成首次海试。舰体表面需要采取有效的防锈措施,下列防锈措施中不形成表面钝化膜的是( )
A.发蓝处理 B.阳极氧化
C.表面渗镀 D.喷涂油漆
【解析】选D。A项发蓝处理是指钢铁等黑色金属通过在空气中加热或直接浸泡于浓氧化性溶液中,从而在金属表面形成一层极薄的氧化膜,这层氧化膜能有效防锈,故A不符合题意;B项阳极氧化是将待保护的金属与电源正极连接,在金属表面形成一层氧化膜的过程,故B不符合题意;C项表面渗镀是在高温下将气态、固态或熔化状态的欲渗镀的物质(金属或非金属元素)通过扩散作用从被渗镀的金属的表面渗入内部以形成表层合金镀层的一种表面处理的方法,故C不符合题意;D项喷涂油漆是将油漆喷涂在待保护的金属表面,并没有在表面形成钝化膜,故D符合题意。
2.(2024·湖北选择考·14)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂,用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸,原理如图,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中,甲醛转化为HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-HCOO-+H·。下列说法错误的是( )
A.电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B.理论上生成1 ml H3N+CH2COOH双极膜中有4 ml H2O解离
C.阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-2HCOO-+H2↑+2H2O
D.阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-CHOCOOH+H2O
【解析】选B。在KOH溶液中HCHO转化为HOCH2O-:HCHO+OH-HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O,Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-HCOO-+H∙,H∙结合成H2,因此Cu电极为阳极,总反应为2HCHO-2e-+4OH-2HCOO-+H2↑+2H2O,C项正确;根据电极反应式可知电解过程中阳极消耗OH-,同时生成H2O,故电解一段时间后阳极区c(OH-)减小,A项正确;PbCu电极为阴极,根据工作原理图示,首先HOOC—COOH在Pb上发生得电子的还原反应转化为OHC—COOH:H2C2O4+2e-+2H+OHC—COOH+H2O,OHC—COOH与HO—N+H3反应生成HOOC—CHN—OH:OHC—COOH+HO—N+H3
HOOC—CHN—OH+H2O+H+,HOOC—CHN—OH在Cu上发生得电子的还原反应转化成H3N+CH2COOH:HOOC—CHN—OH+4e-+5H+H3N+CH2COOH+H2O,D项正确;阴极区的总反应为H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+H3N+CH2COOH+3H2O,理论上生成1 ml H3N+CH2COOH消耗6 ml H+,而H2O解离为H2OH++OH-,故双极膜中有6 ml H2O解离,B项错误。
3.(2024·全国甲卷·12)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后,MnO2电极上检测到MnO(OH)和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是( )
A.充电时,Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时,会发生反应Zn+2MnO2ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-MnO(OH)+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 ml MnO(OH)
【解析】选C。A.充电时该装置为电解池,电解池中阳离子向阴极迁移,即Zn2+向阴极方向迁移,A不正确;B.放电时,负极的电极反应为Zn-2e-Zn2+,则充电时阴极反应为Zn2++2e-Zn,即充电时Zn元素化合价应降低,而选项中Zn元素化合价升高,B不正确;C.放电时MnO2电极为正极,正极上检测到MnO(OH)和少量ZnMn2O4,则正极上主要发生的电极反应是MnO2+H2O+e-MnO(OH)+OH-,C正确;D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g(物质的量为0.010 ml),电路中转移0.020 ml电子,由正极的主要反应MnO2+H2O+e-MnO(OH)+OH-可知,若正极上只有MnO(OH)生成,则生成MnO(OH)的物质的量为0.020 ml,但是正极上还有ZnMn2O4生成,因此,MnO(OH)的物质的量小于0.020 ml,D不正确。综上所述,本题选C。
4.(2024·黑、吉、辽选择考·12)“绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应速率缓慢的问题,科技工作者设计耦合HCHO高效制H2的方法,装置如图所示。部分反应机理为+12H2。下列说法错误的是( )
A.相同电量下H2理论产量是传统电解水的1.5倍
B.阴极反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑
C.电解时OH-通过阴离子交换膜向b极方向移动
D.阳极反应:2HCHO-2e-+4OH-2HCOO-+2H2O+H2↑
【解析】选A。据图示可知,b电极上HCHO 转化为HCOO-,而HCHO 转化为HCOO-为氧化反应,所以b电极为阳极,a电极为阴极,HCHO为阳极反应物,由反应机理+12H2可知阳极失电子发生氧化反应生成氢气,阴极水得电子生成氢气:2H2O+2e-H2↑+2OH-。由以上分析可知,阳极反应:①HCHO+OH--e-HCOOH+12H2,②HCOOH+OH-HCOO-+H2O,阴极反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,即转移2 ml电子时,阴、阳两极各生成1 ml H2,共2 ml H2,而传统电解水:2H2O2H2↑+O2↑,转移2 ml电子,只有阴极生成1 ml H2,所以相同电量下H2理论产量是传统电解水的2倍,故A错误;阴极水得电子生成氢气,阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,故B正确;由电极反应式可知,电解过程中阴极生成OH-,负电荷增多,阳极负电荷减少,要使电解质溶液呈电中性,OH-通过阴离子交换膜向阳极移动,即向b极方向移动,故C正确;由以上分析可知,阳极反应涉及:①HCHO+OH--e-HCOOH+12H2,②HCOOH+OH-HCOO-+H2O,由(①+②)×2得阳极反应为2HCHO-2e-+4OH-2HCOO-+2H2O+H2↑,故D正确。
5.(2024·黑、吉、辽选择考·13)某工厂利用铜屑脱除锌浸出液中的Cl-并制备Zn,流程如下。“脱氯”步骤仅Cu元素化合价发生改变。下列说法正确的是( )
锌浸出液中相关成分(其他成分无干扰)
A.“浸铜”时应加入足量H2O2,确保铜屑溶解完全
B.“浸铜”反应:2Cu+4H++H2O22Cu2++H2↑+2H2O
C.“脱氯”反应:Cu+Cu2++2Cl-2CuCl
D.脱氯液净化后电解,可在阳极得到Zn
【解析】选C。铜屑中加入H2SO4和H2O2得到Cu2+,反应的离子方程式为Cu+2H++H2O2Cu2++2H2O,再加入锌浸出液进行“脱氯”,“脱氯”步骤中仅Cu元素的化合价发生改变,得到CuCl固体,可知“脱氯”步骤发生反应的离子方程式为Cu2++Cu+2Cl-2CuCl,过滤得到脱氯液,脱氯液净化后电解,Zn2+可在阴极得到电子生成Zn。由分析得,“浸铜”时,铜屑不能溶解完全,Cu在“脱氯”步骤还需要充当还原剂,故A错误;“浸铜”时,铜屑中加入H2SO4和H2O2得到Cu2+,反应的离子方程式为Cu+2H++H2O2Cu2++2H2O,故B错误;“脱氯”步骤中仅Cu元素的化合价发生改变,得到CuCl固体,即Cu的化合价升高,Cu2+的化合价降低,发生归中反应,离子方程式为Cu2++Cu+2Cl-2CuCl,故C正确;脱氯液净化后电解,Zn2+应在阴极得到电子变为Zn,故D错误。
6.(2024·安徽选择考·11)我国学者研发出一种新型水系锌电池,其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极,以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是( )
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为I3-+ZnZn2++3I-
C.充电时,阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时,消耗0.65 g Zn,理论上转移0.02 ml电子
【解析】选C。由图中信息可知,该新型水系锌电池的负极是锌、正极是超分子材料;负极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+,则充电时,该电极为阴极,电极反应式为Zn2++2e-Zn;正极上发生反应:I3-+2e-3I-,则充电时,该电极为阳极,电极反应式为3I--2e-I3-。标注框内所示结构属于配合物,配位体中存在共价键,还有由N提供孤电子对、Zn2+提供空轨道形成的配位键,A正确;由以上分析可知,该电池总反应为I3-+ZnZn2++3I-,B正确;充电时,阴极电极反应式为Zn2++2e-Zn,被还原的Zn2+主要来自电解质溶液,C错误;放电时,负极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+,因此消耗0.65 g Zn(物质的量为0.01 ml),理论上转移0.02 ml电子,D正确。
7.(2024·江苏选择考·3)实验室进行铁钉镀锌实验。下列相关原理、装置及操作不正确的是( )
【解析】选A。配制一定物质的量浓度的溶液时,溶质要放在烧杯中溶解,不能直接放在容量瓶中溶解,A不正确;油污的主要成分是油脂,油脂在碱性条件下可以发生水解反应生成可溶于水的甘油和高级脂肪酸盐,因此,铁钉放在NaOH溶液中加热后可以除去其表面的油污,B正确;铁锈的主要成分是Fe2O3·nH2O,可溶于盐酸,因此,将铁钉放在盐酸中可以除去其表面的铁锈,C正确;该装置为电解池,铁钉与电源负极相连作阴极,锌片与电源的正极相连作阳极,电解质溶液为ZnCl2溶液,因此,该装置为电镀装置,可以实现铁钉镀锌,D正确。
8.(2024·江苏选择考·8)
碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2OZnO+2MnOOH,电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.电池工作时,MnO2发生氧化反应
B.电池工作时,OH-通过隔膜向正极移动
C.环境温度过低,不利于电池放电
D.反应中每生成1 ml MnOOH,转移电子数为2×6.02×1023
【解析】选C。电池工作时,MnO2为正极,得到电子,发生还原反应,故A错误;电池工作时,OH-通过隔膜向负极移动,故B错误;环境温度过低,化学反应速率下降,不利于电池放电,故C正确;由电极反应式MnO2+e-+H2OMnOOH+OH-可知,反应中每生成1 ml MnOOH,转移电子数为6.02×1023,故D错误。
9.(2024·河北选择考·13)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池,以Mg(TFSI)2为电解质,电解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕获CO2,使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍,同时改善了Mg2+的溶剂化环境,提高了电池充放电循环性能。
回答下列问题。
下列说法错误的是( )
A.放电时,电池总反应为2CO2+MgMgC2O4
B.充电时,多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时,电子由Mg电极流向阳极,Mg2+向阴极迁移
D.放电时,每转移1 ml电子,理论上可转化1 ml CO2
【解析】选C。放电时CO2转化为MgC2O4,碳元素化合价由+4价降低为+3价,发生还原反应,所以放电时,多孔碳纳米管电极为正极,Mg电极为负极,则充电时多孔碳纳米管电极为阳极,Mg电极为阴极:
定位:二次电池,放电时阳离子向正极移动,充电
时阳离子向阴极移动。
A.根据以上分析,放电时正极反应式为Mg2++2CO2+2e-MgC2O4,负极反应式为Mg-2e-Mg2+,将放电时正、负电极反应式相加,可得放电时电池总反应:Mg+2CO2MgC2O4,A正确;B.充电时,多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应,则多孔碳纳米管电极在充电时是阳极,与电源正极连接,B正确;C.充电时,Mg电极为阴极,电子从电源负极经外电路流向Mg电极,同时Mg2+向阴极迁移,C错误;D.根据放电时的电极反应式Mg2++2CO2+2e-MgC2O4可知,每转移2 ml电子,有2 ml CO2参与反应,因此每转移1 ml电子,理论上可转化1 ml CO2,D正确。故答案为C。
10.(2024·湖南选择考·1)近年来,我国新能源产业得到了蓬勃发展,下列说法错误的是( )
A.理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B.氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C.锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌,充电时锂离子从正极脱嵌
D.太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
【解析】选D。理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点,A正确;氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能,对氢气与氧气反应产生的能量进行利用,减少了直接燃烧的热量散失,产物无污染,故具有能量转化率高、清洁等优点,B正确;脱嵌是锂从电极材料中出来的过程,放电时,负极材料产生锂离子,则锂离子在负极脱嵌,则充电时,锂离子在正极脱嵌,C正确;太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置,D错误。
11.(2024·湖南选择考·10)在KOH水溶液中,电化学方法合成高能物质K4C6N16时,伴随少量O2生成,电解原理如图所示,下列说法正确的是( )
A.电解时,OH-向Ni电极移动
B.生成C6N164−的电极反应:2C3N8H4+8OH--4e-C6N164−+8H2O
C.电解一段时间后,溶液pH升高
D.每生成1 ml H2的同时,生成0.5 ml K4C6N16
【解析】选B。由电解原理图可知,Ni电极产生氢气,作阴极,发生还原反应,电解质溶液为KOH溶液,则电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-;Pt电极C3N8H4失去电子生成C6N164−,作阳极,电极反应为2C3N8H4+8OH--4e-C6N164−+8H2O,同时,Pt电极还伴随少量O2生成,电极反应为4OH--4e-O2↑+2H2O。A.由分析可知,Ni电极为阴极,Pt电极为阳极,电解过程中,阴离子向阳极移动,即OH-向Pt电极移动,A错误;B.由分析可知,Pt电极C3N8H4失去电子生成C6N164−,电解质溶液为KOH溶液,生成C6N164−的电极反应为2C3N8H4+8OH--4e-C6N164−+8H2O,B正确;C.由分析可知,阳极主要反应为2C3N8H4-4e-+8OH-C6N164−+8H2O,阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,则电解过程中发生的总反应主要为2C3N8H4+4OH-C6N164−+4H2O+2H2↑,反应消耗OH-,生成H2O,电解一段时间后,溶液pH降低,C错误;D.根据电解总反应:2C3N8H4+4OH-C6N164−+4H2O+2H2↑可知,每生成1 ml H2,生成0.5 ml K4C6N16,但Pt电极伴随少量O2生成,发生电极反应:4OH--4e-O2↑+2H2O,则生成1 ml H2时得到的部分电子由OH-放电产生O2提供,所以生成的K4C6N16小于0.5 ml,D错误。
12.(2024·浙江6月选考·13)金属腐蚀会对设备产生严重危害,腐蚀快慢与材料种类、所处环境有关。下图为两种对海水中钢闸门的防腐措施示意图:
下列说法正确的是( )
A.图1、图2中,阳极材料本身均失去电子
B.图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面可发生反应:O2+2H2O+4e-4OH-
C.图2中,外加电压保持恒定不变,有利于提高对钢闸门的防护效果
D.图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,钢闸门、阳极均不发生化学反应
【解析】选B。A项,图1为牺牲阳极法,牺牲阳极一般为较活泼金属,作为原电池的负极,失去电子被氧化,图2为外加电流法,阳极材料为辅助阳极,通常是惰性电极,本身不失去电子,电解质溶液中的阴离子在其表面失去电子,如海水中的Cl-,A不正确;B项,图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面积累的电子很多,除了海水中的H+放电外,海水中溶解的O2也会竞争放电,故可发生O2+2H2O+4e-4OH-,B正确;C项,图2为外加电流法,理论上只要能对抗钢闸门表面的腐蚀电流即可,腐蚀电流会随着环境的变化而变化,若外加电压保持恒定不变,则不能保证抵消腐蚀电流,不利于提高对钢闸门的防护效果,C不正确;D项,图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,说明从牺牲阳极或外加电源传递过来的电子阻止了铁的反应,钢闸门不发生化学反应,但是牺牲阳极发生了氧化反应,辅助阳极上也发生了氧化反应,D不正确。
13.(2024·山东等级考·12)由下列事实或现象能得出相应结论的是( )
【解析】选A、B。向酸性KMnO4溶液中加入草酸,紫色褪去说明KMnO4被还原成无色Mn2+,则草酸具有还原性,A项符合题意;铅蓄电池放电时正极反应为PbO2+2e-+SO42−+4H+PbSO4+2H2O,负极反应为Pb-2e-+SO42−PbSO4,正、负极质量都增加,充电时阳极反应为PbSO4+2H2O-2e-PbO2+SO42−+4H+,阴极反应为PbSO4+2e-Pb+SO42−,阴、阳极质量都减小,B项符合题意;向等物质的量浓度的NaCl、Na2CrO4混合溶液中滴加AgNO3溶液,先生成AgCl白色沉淀,说明先达到AgCl的Ksp,但由于AgCl、Ag2CrO4的类型不相同,不能得出Ksp(AgCl)Ksp(Ag2CrO4),C项不符合题意;将盛有NO2的密闭烧瓶浸入冷水,红棕色变浅,说明降低温度平衡向正反应方向移动,正反应为放热反应,根据ΔH=正反应的活化能-逆反应的活化能<0知,正反应的活化能小于逆反应的活化能,D项不符合题意。
14.(2024·山东等级考·13)以不同材料修饰的Pt为电极,一定浓度的NaBr溶液为电解液,采用电解和催化相结合的循环方式,可实现高效制H2和O2,装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.电极a连接电源负极
B.加入Y的目的是补充NaBr
C.电解总反应式为Br-+3H2OBrO3-+3H2↑
D.催化阶段反应产物物质的量之比n(Z)∶n(Br-)=3∶2
【解析】选B。电极b上Br-发生失电子的氧化反应转化成BrO3-,电极b为阳极,电极反应为Br--6e-+3H2OBrO3-+6H+,则电极a为阴极,电极a的电极反应为6H++6e-3H2↑;电解总反应式为Br-+3H2OBrO3-+3H2↑;催化循环阶段BrO3-被还原成Br-循环使用,同时生成O2,实现高效制H2和O2,即Z为O2。根据分析,电极a为阴极,连接电源负极,A项正确;根据分析电解过程中消耗H2O和Br-,而催化阶段BrO3-被还原成Br-循环使用,故加入Y的目的是补充H2O,维持NaBr溶液为一定浓度,B项错误;根据分析电解总反应式为Br-+3H2OBrO3-+3H2↑,C项正确;催化阶段,Br元素的化合价由+5价降至-1价,生成1 ml Br-得到6 ml电子,O元素的化合价由-2价升至0价,生成1 ml O2失去4 ml电子,根据得失电子守恒,反应产物物质的量之比为n(O2)∶n(Br-)=6∶4=3∶2,D项正确;答案选B。
15.(2024·北京等级考·3)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理,下列说法正确的是( )
A.石墨作电池的负极材料
B.电池工作时,NH4+向负极方向移动
C.MnO2发生氧化反应
D.锌筒发生的电极反应为Zn-2e-Zn2+
【解析】选D。酸性锌锰干电池,锌筒为负极,石墨电极为正极,故A错误;原电池工作时,阳离子向正极(石墨电极)方向移动,故B错误;MnO2发生得电子的还原反应,故C错误;锌筒为负极,负极发生失电子的氧化反应Zn-2e-Zn2+,故D正确。
16.(2024·新课标卷·12)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是( )
A.电池总反应为2C6H12O6+O22C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mml电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
【解析】选C。由题中信息可知,b电极为负极,发生反应:Cu2O-2e-+2OH-2CuO+H2O,然后再发生反应:C6H12O6+2CuOC6H12O7+Cu2O;a电极为正极,发生反应:O2+4e-+2H2O4OH-,在这个过程中发生的总反应为2C6H12O6+O22C6H12O7。A.由分析可知,电池总反应为2C6H12O6+O22C6H12O7,A正确;B.b电极上CuO将葡萄糖氧化为葡萄糖酸后被还原为Cu2O,Cu2O在b电极上失电子转化成CuO,在这个过程中CuO的质量和化学性质保持不变,因此,CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用,B正确;C.根据反应2C6H12O6+O22C6H12O7可知,1 ml C6H12O6参加反应时转移2 ml电子,18 mg C6H12O6的物质的量为0.1 mml,则消耗18 mg葡萄糖时,理论上a电极有0.2 mml电子流入,C错误;D.原电池中阳离子从负极移向正极,故Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a,D正确。
17.(2024·甘肃选择考·7)某固体电解池工作原理如图所示,下列说法错误的是( )
A.电极1的多孔结构能增大与水蒸气的接触面积
B.电极2是阴极,发生还原反应:O2+4e-2O2-
C.工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2
D.理论上电源提供2 ml e-能分解1 ml H2O
【解析】选B。解答本题的思维流程如下:
多孔电极1上H2O(g)发生得电子的还原反应转化成H2(g),多孔电极1为阴极,电极反应为2H2O+4e-2H2+2O2-;多孔电极2上O2-发生失电子的氧化反应转化成O2(g),多孔电极2为阳极,电极反应为2O2--4e-O2↑,B项错误;电极1的多孔结构能增大电极的表面积,增大与水蒸气的接触面积,A项正确;工作时,阴离子O2-向阳极移动,即O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2,C项正确;电解总反应为2H2O(g)2H2↑+O2↑,分解2 ml H2O转移4 ml电子,则理论上电源提供2 ml电子能分解1 ml H2O,D项正确。
非选择题
18.(2024·安徽选择考·15)精炼铜产生的铜阳极泥富含Cu、Ag、Au等多种元素。研究人员设计了一种从铜阳极泥中分离提取金和银的流程,如下图所示。
回答下列问题:
(1)Cu位于元素周期表第 周期第 族。
(2)“浸出液1”中含有的金属离子主要是 。
(3)“浸取2”步骤中,单质金转化为HAuCl4的化学方程式为 。
(4)“浸取3”步骤中,“浸渣2”中的 (填化学式)转化为[Ag(S2O3)2]3-。
(5)“电沉积”步骤中阴极的电极反应式为
。
“电沉积”步骤完成后,阴极区溶液中可循环利用的物质为 (填化学式)。
(6)“还原”步骤中,被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为 。
(7)Na2S2O3可被I2氧化为Na2S4O6。从物质结构的角度分析S4O62−的结构为(a)而不是(b)的原因:
。
【解析】精炼铜产生的铜阳极泥富含Cu、Ag、Au等元素,铜阳极泥加入硫酸、H2O2浸取,Cu被转化为Cu2+进入浸出液1中,Ag、Au不反应,浸渣1中含有Ag和Au;浸渣1中加入盐酸、H2O2浸取,Au转化为HAuCl4进入浸出液2,Ag转化为AgCl,浸渣2中含有AgCl;浸出液2中加入N2H4将HAuCl4还原为Au,同时N2H4被氧化为N2;浸渣2中加入Na2S2O3,将AgCl转化为[Ag(S2O3)2]3-,得到浸出液3,利用电沉积法将[Ag(S2O3)2]3-还原为Ag。
(1)Cu的原子序数为29,位于第四周期第ⅠB族;
(2)由分析可知,铜阳极泥加入硫酸、H2O2浸取,Cu被转化为Cu2+进入浸出液1中,故浸出液1中含有的金属离子主要是Cu2+;
(3)浸取2步骤中,Au与盐酸、H2O2发生氧化还原反应,生成HAuCl4和H2O,根据得失电子守恒及质量守恒,可得反应的化学方程式为2Au+8HCl+3H2O22HAuCl4+6H2O;
(4)根据分析可知,浸渣2中含有AgCl,与Na2S2O3反应转化为[Ag(S2O3)2]3-;
(5)电沉积步骤中,阴极发生还原反应,[Ag(S2O3)2]3-得电子被还原为Ag,电极反应式为[Ag(S2O3)2]3-+e-Ag↓+2S2O32−;阴极反应生成S2O32−,同时阴极区溶液中含有Na+,故电沉积步骤完成后,阴极区溶液中可循环利用的物质为Na2S2O3;
(6)还原步骤中, HAuCl4被还原为Au,Au化合价由+3价变为0价,一个HAuCl4转移3个电子,N2H4被氧化为N2,N的化合价由-2价变为0价,一个N2H4转移4个电子,根据得失电子守恒,被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为3∶4;
(7)氧原子电负性大,半径小,对相应成键电子对的斥力大,使氧氧键键能小,不稳定,更易断裂,故(b)不稳定。
答案:(1)四 ⅠB
(2)Cu2+
(3)2Au+8HCl+3H2O22HAuCl4+6H2O
(4)AgCl
(5)[Ag(S2O3)2]3-+e-Ag↓+2S2O32− Na2S2O3
(6)3∶4
(7)氧原子电负性大,半径小,对相应成键电子对的斥力大,使氧氧键键能小,不稳定,更易断裂,故(b)不稳定
19.(2024·浙江6月选考·18)矿物资源的综合利用有多种方法,如铅锌矿(主要成分为PbS、ZnS)的利用有火法和电解法等。
已知:①PbCl2(s)PbCl2(aq)H2[PbCl4];
②电解前后ZnS总量不变;③AgF易溶于水。
请回答:
(1)根据富氧煅烧(在空气流中煅烧)和通电电解(如图)的结果,PbS中硫元素体现的性质是 (选填“氧化性”、“还原性”、“酸性”、“热稳定性”之一)。产物B中有少量Pb3O4,该物质可溶于浓盐酸,Pb元素转化为[PbCl4]2-,写出该反应的化学方程式 ;
从该反应液中提取PbCl2的步骤如下:加热条件下,加入 (填一种反应试剂),充分反应,趁热过滤,冷却结晶,得到产品。
(2)下列说法正确的是 。
A.电解池中发生的总反应是PbSPb+S(条件省略)
B.产物B主要是铅氧化物与锌氧化物
C.1 ml化合物C在水溶液中最多可中和2 ml NaOH
D.ClF的氧化性弱于Cl2
(3)D的结构为(X=F或Cl),设计实验先除去样品D中的硫元素,再用除去硫元素后的溶液探究X为何种元素。
①实验方案:取D的溶液,加入足量NaOH溶液,加热充分反应,然后
;
②写出D(用HSO3X表示)的溶液与足量NaOH溶液反应的离子方程式 。
【解析】铅锌矿(主要成分为PbS、ZnS)富氧煅烧得到SO2和Pb、Zn的氧化物,SO2与等物质的量的ClF反应得到化合物C,结构简式为,化合物C()水解生成液态化合物D(,X=F或Cl)和气态化合物E(HCl或HF)。(1)根据富氧煅烧和通电电解的结果,PbS中硫元素化合价升高,体现还原性;产物B中有少量Pb3O4,该物质可溶于浓盐酸,Pb元素转化为[PbCl4]2-,该反应的化学方程式:Pb3O4+14HCl(浓)3H2[PbCl4]+4H2O+Cl2↑;根据PbCl2(s)PbCl2(aq)H2[PbCl4]可得反应:PbCl2(aq)+2HClH2[PbCl4],要从该反应液中提取PbCl2,则所加试剂应能消耗H+使平衡逆向移动,且不引入杂质,则步骤为加热条件下,加入PbO或Pb(OH)2或PbCO3,充分反应,趁热过滤,冷却结晶。(2)A项,根据图示和已知②可知,电解池中阳极上Fe2+生成Fe3+,Fe3+氧化PbS生成S、Pb2+和Fe2+,阴极上PbCl2生成Pb,发生的总反应是PbSPb+S(条件省略),A正确;B项,铅锌矿(主要成分为PbS、ZnS)富氧煅烧得到SO2和Pb、Zn的氧化物,则产物B主要是铅氧化物与锌氧化物,B正确;C项,化合物C是,卤素原子被—OH取代后生成H2SO4和HCl、HF,则1 ml化合物C在水溶液中最多可中和4 ml NaOH,C错误;D项,ClF的氧化性由+1价的Cl表现,Cl2的氧化性由0价的Cl表现,则ClF的氧化性强于Cl2,D错误;故选AB。(3)①D的结构为(X=F或Cl),加入足量NaOH溶液,加热充分反应,生成Na2SO4和NaX,则实验方案为取D的溶液,加入足量NaOH溶液,加热充分反应,然后加入足量Ba(NO3)2溶液充分反应,静置后取上层清液,再加入硝酸酸化的AgNO3溶液,若产生白色沉淀,则有Cl-,反之则有F-;②D(用HSO3X表示)的溶液与足量NaOH溶液反应生成Na2SO4和NaX,发生反应的离子方程式是HSO3X+3OH-SO42−+X-+2H2O。
答案:(1)还原性 Pb3O4+14HCl(浓)3H2[PbCl4]+4H2O+Cl2↑
PbO[或Pb(OH)2或PbCO3]
(2)AB
(3)①加入足量Ba(NO3)2溶液充分反应,静置后取上层清液,再加入硝酸酸化的AgNO3溶液,若产生白色沉淀,则有Cl-,反之则有F-
②HSO3X+3OH-SO42−+X-+2H2O
20.(2024·浙江6月选考·19)氢是清洁能源,硼氢化钠(NaBH4)是一种环境友好的固体储氢材料,其水解生氢反应方程式如下:(除非特别说明,本题中反应条件均为25 ℃,101kPa)
NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(aq)+4H2(g) ΔH<0
请回答:
(1)该反应能自发进行的条件是 。
A.高温 B.低温
C.任意温度 D.无法判断
(2)该反应比较缓慢。忽略体积变化的影响,下列措施中可加快反应速率的是 。
A.升高溶液温度
B.加入少量异丙胺[(CH3)2CHNH2]
C.加入少量固体硼酸[B(OH)3]
D.增大体系压强
(3)为加速NaBH4水解,某研究小组开发了一种水溶性催化剂,当该催化剂足量、浓度一定且活性不变时,测得反应开始时生氢速率v与投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]之间的关系,结果如图1所示。请解释ab段变化的原因
。
(4)氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图2所示,正极上的电极反应式是 。该电池以3.2 A恒定电流工作14分钟,消耗H2体积为0.49 L,故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为 。[已知:该条件下H2的摩尔体积为24.5 L·ml-1;电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s);NA=6.0×1023ml-1;e=1.60×10-19 C。]
(5)资源的再利用和再循环有利于人类的可持续发展。选用如下方程式,可以设计能自发进行的多种制备方法,将反应副产物偏硼酸钠(NaBO2)再生为NaBH4。(已知:ΔG是反应的自由能变化量,其计算方法也遵循盖斯定律,可类比ΔH计算方法;当ΔG<0时,反应能自发进行。)
Ⅰ.NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(s)+4H2(g) ΔG1=-320 kJ·ml-1
Ⅱ.H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔG2=-240 kJ·ml-1
Ⅲ.Mg(s)+12O2(g)MgO(s) ΔG3=-570 kJ·ml-1
请书写一个方程式表示NaBO2再生为NaBH4的一种制备方法,并注明ΔG
。
(要求:反应物不超过三种物质,氢原子利用率为100%。)
【解析】(1)反应NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(aq)+4H2(g) ΔH<0,ΔS>0,由ΔG=ΔH-TΔS可知,任意温度下,该反应均能自发进行,故选C。(2)A项,升高温度,反应速率加快,A符合题意;B项,加入少量异丙胺[(CH3)2CHNH2],H2O的量减少,化学反应速率降低,B不符合题意;C项,加入少量固体硼酸[B(OH)3],硼酸水解,提高H+的浓度,化学反应速率加快,C符合题意;D项,增大体系压强,忽略体积变化,则气体浓度不变,化学反应速率不变,D不符合题意;故选AC。(3)随着投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]增大,NaBH4的水解转化率降低,因此生成氢气的速率不断减小。(4)根据题干信息,该燃料电池中通入H2的一极为负极,通入O2的一极为正极,故正极的电极反应式为O2+4e-+2CO22CO32−;该条件下,0.49 L H2的物质的量为n(H2)=·ml-1=0.02 ml,工作时,H2失去电子,所带电荷量为2×0.02 ml×6.0×1023 ml-1×1.60×10-19 C=3 840 C,工作电荷量为3.2 A×14×60 s=2 688 C,则该电池将化学能转化为电能的转化率=2688C3840C×100%=70%。(5)结合题干信息,要使得氢原子利用率为100%,可由(2×反应Ⅲ)-(2×反应Ⅱ+反应Ⅰ)得NaBO2(s)+2H2(g)+2Mg(s)NaBH4(s)+2MgO(s),ΔG=2ΔG3-(2ΔG2+ΔG1)=2×(-570 kJ·ml-1)-[2×(-240 kJ·ml-1)+(-320 kJ·ml-1)]=-340 kJ·ml-1,也可由(-反应Ⅰ-4×反应Ⅱ+4×反应Ⅲ)得NaBO2(s)+2H2O(l)+4Mg(s)NaBH4(s)+4MgO(s),ΔG=-ΔG1-4ΔG2+4ΔG3=320 kJ·ml-1-[4×(-240 kJ·ml-1)]+[4×(-570 kJ·ml-1)]=-1 000 kJ·ml-1。
答案:(1)C (2)AC
(3)随着投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]增大,NaBH4的水解转化率降低
(4)O2+4e-+2CO22CO32− 70%
(5)NaBO2(s)+2H2(g)+2Mg(s)NaBH4(s)+2MgO(s) ΔG=-340 kJ·ml-1
[或NaBO2(s)+2H2O(l)+4Mg(s)NaBH4(s)+4MgO(s) ΔG=-1 000 kJ·ml-1]
21.(2024·山东等级考·18)以铅精矿(含PbS、Ag2S等)为主要原料提取金属Pb和Ag的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)“热浸”时,难溶的PbS和Ag2S转化为[PbCl4]2-和[AgCl2]-及单质硫。溶解等物质的量的PbS和Ag2S时,消耗Fe3+物质的量之比为 ;溶液中盐酸浓度不宜过大,除防止“热浸”时HCl挥发外,另一目的是防止产生 (填化学式)。
(2)将“过滤Ⅱ”得到的PbCl2沉淀反复用饱和食盐水热溶,电解所得溶液可制备金属Pb,“电解Ⅰ”阳极产物用尾液吸收后在工艺中循环使用,利用该吸收液的操作单元为 。
(3)“还原”中加入铅精矿的目的是
。
(4)“置换”中可选用的试剂X为 (填标号)。
A.Al B.Zn C.Pb D.Ag
“置换”反应的离子方程式为 。
(5)“电解Ⅱ”中将富银铅泥制成电极板,用作 (填“阴极”或“阳极”)。
【解析】本题以铅精矿(含PbS、Ag2S等)为主要原料提取金属Pb和Ag,“热浸”时,难溶的PbS和Ag2S转化为[PbCl4]2-和[AgCl2]-及单质硫,Fe3+被还原为Fe2+,过滤Ⅰ除掉含硫滤渣,滤液中[PbCl4]2-在稀释、冷却的过程中转化为PbCl2沉淀,然后用饱和食盐水热溶,增大氯离子浓度,使PbCl2又转化为[PbCl4]2-,电解得到Pb;过滤Ⅱ后的滤液成分主要为[AgCl2]-、FeCl2、FeCl3,故加入铅精矿主要将FeCl3还原为FeCl2,试剂X将[AgCl2]-置换为Ag,得到富银铅泥,试剂X为铅,尾液为FeCl2。
(1)“热浸”时,Fe3+将PbS和Ag2S中-2价的硫氧化为单质硫,Fe3+被还原为Fe2+,在这个过程中Pb和Ag的化合价保持不变,所以溶解等物质的量的PbS和Ag2S时,S2-物质的量相等,所以消耗Fe3+的物质的量相等,比值为1∶1;溶液中盐酸浓度过大,这里主要考虑氢离子浓度会过大,会生成H2S气体。
(2)“过滤Ⅱ”得到的PbCl2沉淀反复用饱和食盐水热溶,会溶解为[PbCl4]2-,电解[PbCl4]2-溶液可制备金属Pb,Pb在阴极产生,阳极Cl-放电产生Cl2,尾液成分为FeCl2,FeCl2吸收Cl2后转化为FeCl3,可以在热浸中循环使用。
(3)“过滤Ⅱ”所得的滤液中有过量的未反应的Fe3+,根据还原之后可以得到含硫滤渣,“还原”中加入铅精矿的目的是将过量的Fe3+还原为Fe2+。
(4)“置换”中加入试剂X可以得到富银铅泥,为了防止引入其他杂质,则试剂X应为Pb,发生的反应为Pb+2[AgCl2]-2Ag+[PbCl4]2-。
(5)“电解Ⅱ”中将富银铅泥制成电极板,“电解Ⅱ”得到金属银和金属铅,将银和铅分离出来,所以不可能作为阴极板,应作为阳极板,阳极放电时,银变成阳极泥而沉降下来,铅失电子为Pb2+,阴极得电子得到Pb,所以电极板应作阳极。
答案:(1)1∶1 H2S
(2)热浸
(3)将过量的Fe3+还原为Fe2+
(4)C Pb+2[AgCl2]-2Ag+[PbCl4]2-
(5)阳极
22.(2024·北京等级考·16)HNO3是一种重要的工业原料。可采用不同的氮源制备HNO3。
(1)方法一:早期以硝石(含NaNO3)为氮源制备HNO3,反应的化学方程式为H2SO4(浓)+NaNO3NaHSO4+HNO3↑。该反应利用了浓硫酸的性质是酸性和 。
(2)方法二:以NH3为氮源催化氧化制备HNO3,反应原理分三步进行。
NH3NONO2HNO3
①第Ⅰ步反应的化学方程式为
。
②针对第Ⅱ步反应进行研究:在容积可变的密闭容器中,充入2n ml NO和n ml O2进行反应。在不同压强下(p1、p2),反应达到平衡时,测得NO转化率随温度的变化如图所示。解释y点的容器容积小于x点的容器容积的原因
。
(3)方法三:研究表明可以用电解法以N2为氮源直接制备HNO3,其原理示意图如下。
①电极a表面生成NO3-的电极反应式:
。
②研究发现:N2转化可能的途径为N2NONO3-。电极a表面还发生iii.H2OO2。iii的存在,有利于途径ii,原因是
。
(4)人工固氮是高能耗的过程,结合N2分子结构解释原因 。
方法三为N2的直接利用提供了一种新的思路。
【解析】(1)浓硫酸难挥发,产物HNO3为气体,有利于复分解反应进行,体现了浓硫酸的难挥发性和酸性。(2)①第Ⅰ步反应为氨气的催化氧化,化学方程式为4NH3+5O24NO+6H2O;②2NO+O22NO2,该反应正向气体分子总数减小,同温时,p1条件下NO转化率高于p2,故p1>p2,根据V=nRTp,x、y点转化率相同,则n相同,此时压强对容积的影响大于温度对容积的影响,故y点的容器容积小于x点的容器容积。(3)①由电极a上的物质转化可知,氮元素化合价升高,发生氧化反应,电极a为阳极,电极反应式为N2-10e-+6H2O2NO3-+12H+;②反应iii生成O2,O2将NO氧化成NO2,NO2更易转化成NO3-。(4)N2中存在氮氮三键,键能高,断键时需要较大的能量,故人工固氮是高能耗的过程。
答案:(1)难挥发性
(2)①4NH3+5O24NO+6H2O ②2NO+O22NO2,该反应正向气体分子总数减小,同温时,p1条件下NO转化率高于p2,故p1>p2,x、y点转化率相同,此时压强对容积的影响大于温度对容积的影响
(3)①N2-10e-+6H2O2NO3-+12H+
②反应iii生成O2,O2将NO氧化成NO2,NO2更易转化成NO3-
(4)N2中存在氮氮三键,键能高,断键时需要较大的能量,故人工固氮是高能耗的过程
离子
Zn2+
Cu2+
Cl-
浓度(g·L-1)
145
0.03
1
A
B
C
D
配制NaOH溶液
铁钉除油污
铁钉除锈
铁钉镀锌
电极
过程
电极反应式
Mg电极
放电
Mg-2e-Mg2+
充电
Mg2++2e-Mg
多孔碳纳
米管电极
放电
Mg2++2CO2+2e-MgC2O4
充电
MgC2O4-2e-Mg2++2CO2↑
事实或现象
结论
A
向酸性KMnO4溶液中加入草酸,紫色褪去
草酸具有还原性
B
铅蓄电池使用过程中两电极的质量均增加
电池发生了放电反应
C
向等物质的量浓度的NaCl、Na2CrO4混合溶液中滴加AgNO3溶液,先生成AgCl白色沉淀
Ksp(AgCl)D
2NO2N2O4为基元反应,将盛有NO2的密闭烧瓶浸入冷水,红棕色变浅
正反应活化能大于逆反应活化能