2019届高考化学二轮复习专题五化学反应与能量学案 40页

[考纲要求] 1.了解化学反应中能量转化的原因及常见的能量转化形式。2.了解化学能与热能 的相互转化，了解吸热反应、放热反应、反应热等概念。3.了解热化学方程式的含义，能正 确书写热化学方程式。4.了解能源是人类生存和社会发展的重要基础。了解化学在解决能源 危机中的重要作用。5.了解焓变(ΔH)与反应热的含义。6.理解盖斯定律，并能运用盖斯定律 进行有关反应焓变的计算。7.理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反 应和总反应方程式。8.了解常见化学电源的种类及其工作原理。9.了解金属发生电化学腐蚀的 原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。 考点一 化学能与热能 (一)反应热及其表示方法 1.理解化学反应热效应的两种角度 (1)从微观的角度说，是旧化学键断裂吸收的能量与新化学键形成放出的能量的差值，如下图 所示： a 表示旧化学键断裂吸收的能量； b 表示新化学键形成放出的能量； c 表示反应热。 (2)从宏观的角度说，是反应物自身的能量与生成物能量的差值，在上图中： a 表示活化能； b 表示活化分子结合成生成物所释放的能量； c 表示反应热。 2.反应热的量化参数——键能 反应热与键能的关系： 反应热：ΔH＝E1－E2 或ΔH＝E4－E3，即ΔH 等于反应物的键能总和减去生成物的键能总和， 或生成物具有的总能量减去反应物具有的总能量。 3.反应热的表示方法——热化学方程式 热化学方程式书写或判断的注意事项。 (1)注意ΔH 的符号和单位：ΔH 的单位为 kJ·mol－1。 (2)注意测定条件：绝大多数的反应热ΔH 是在 25 ℃、101 kPa 下测定的，此时可不注明温度 和压强。 (3)注意热化学方程式中的化学计量数：热化学方程式化学计量数可以是整数，也可以是分数。 (4)注意物质的聚集状态：气体用“g”，液体用“l”，固体用“s”，溶液用“aq”。热化学 方程式中不用“↑”和“↓”。 (5)注意ΔH 的数值与符号：如果化学计量数加倍，则ΔH 也要加倍。逆反应的反应热与正反应 的反应热数值相等，但符号相反。 (6)对于具有同素异形体的物质，除了要注明聚集状态外，还要注明物质的名称。 如：①S(单斜，s)＋O2(g)===SO2(g) ΔH1＝－297.16 kJ·mol－1 ②S(正交，s)＋O2(g)===SO2(g) ΔH2＝－296.83 kJ·mol－1 ③S(单斜，s)===S(正交，s) ΔH3＝－0.33 kJ·mol－1 (二)盖斯定律及其应用 1.定律内容 一定条件下，一个反应不管是一步完成，还是分几步完成，反应的总热效应相同，即反应热 的大小与反应途径无关，只与反应的始态和终态有关。 2.常用关系式 热化学方程式 焓变之间的关系 aA===B ΔH1 ΔH2＝1 aΔH1 或 A===1 aB ΔH2 ΔH1＝aΔH2 aA===B ΔH1 B===aA ΔH2 ΔH1＝－ΔH2 ΔH＝ΔH1＋ΔH2 1.正误判断，正确的打“√”，错误的打“×” (1) 如图表示燃料燃烧反应的能量变化(×) (2016·江苏，10A) (2)在 CO2 中，Mg 燃烧生成 MgO 和 C。该反应中化学能全部转化为热能(×) (2015·江苏，4D) (3)催化剂能改变反应的焓变(×) (2012·江苏，4B) (4)催化剂能降低反应的活化能(√) (2012·江苏，4C) (5)同温同压下，H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)在光照和点燃条件下的ΔH 不同(×) (6)500 ℃、30 MPa 下，将 0.5 mol N2(g)和 1.5 mol H2(g)置于密闭容器中充分反应生成 NH3(g)， 放热 19.3 kJ，其热化学方程式为 N2(g)＋3H2(g) 催化剂 500 ℃、30 MPa 2NH3(g) ΔH＝－38.6 kJ·mol－1(×) 2.(2016·海南，6)油酸甘油酯(相对分子质量 884)在体内代谢时可发生如下反应： C57H104O6(s)＋80O2(g)===57CO2(g)＋52H2O(l) 已知燃烧 1 kg 该化合物释放出热量 3.8×104 kJ，油酸甘油酯的燃烧热ΔH 为( ) A.3.8×104 kJ·mol－1 B.－3.8×104 kJ·mol－1 C.3.4×104 kJ·mol－1 D.－3.4×104 kJ·mol－1 答案 D 3.[2015·海南，16(3)]由 N2O 和 NO 反应生成 N2 和 NO2 的能量变化如图所示，若生成 1 mol N2，其ΔH＝________kJ·mol－1。 答案 －139 4.(1)[2015·浙江理综，28(1)]乙苯催化脱氢制苯乙烯反应： 已知： 化学键 C—H C—C C==C H—H 键能/kJ·mol－1 412 348 612 436 计算上述反应的ΔH＝________ kJ·mol－1。 答案 124 解析 设“ ”部分的化学键键能为 a kJ·mol－1，则ΔH＝(a＋348＋412×5) kJ·mol－1－(a ＋612＋412×3＋436) kJ·mol－1＝124 kJ·mol－1。 (2)[2015·全国卷Ⅰ，28(3)]已知反应 2HI(g)===H2(g)＋I2(g)的ΔH＝＋11 kJ·mol－1,1 mol H2(g)、 1 mol I2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收 436 kJ、151 kJ 的能量，则 1 mol HI(g)分子中化 学键断裂时需吸收的能量为____________kJ。 答案 299 解析 形成 1 mol H2(g)和 1 mol I2(g)共放出 436 kJ＋151 kJ＝587 kJ 能量，设断裂 2 mol HI(g) 中化学键吸收 2a kJ 能量，则有 2a－587＝11，得 a＝299。[另解：ΔH＝2E(H—I)－E(H—H)－ E(I—I)，2E(H—I)＝ΔH＋E(H—H)＋E(I—I)＝11 kJ·mol－1＋436 kJ·mol－1＋151 kJ·mol－1＝598 kJ·mol－1，则 E(H—I)＝299 kJ·mol－1。] 利用键能计算反应热，要熟记公式：ΔH＝反应物总键能－生成物总键能，其关键是弄清物质 中化学键的数目。在中学阶段要掌握常见单质、化合物中所含共价键的数目。原子晶体：1 mol 金刚石中含 2 mol C—C 键，1 mol 硅中含 2 mol Si—Si 键，1 mol SiO2 晶体中含 4 mol Si—O 键；分子晶体：1 mol P4 中含有 6 mol P—P 键，1 mol P4O10(即五氧化二磷)中含有 12 mol P—O 键、4 mol P==O 键，1 mol C2H6 中含有 6 mol C—H 键和 1 mol C—C 键。 5.(1)[2017·天津，7(3)]0.1 mol Cl2 与焦炭、TiO2 完全反应，生成一种还原性气体和一种易水 解成 TiO2·xH2O 的液态化合物，放热 4.28 kJ，该反应的热化学方程式为 ________________________________________________________________________。 (2)[2015·天津理综，7(4)]随原子序数递增，八种短周期元素(用字母 x 等表示)原子半径的相 对大小、最高正价或最低负价的变化如下图所示。 根据判断出的元素回答问题： 已知 1 mol e 的单质在足量 d2 中燃烧，恢复至室温，放出 255.5 kJ 热量，写出该反应的热化 学方程式：____________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)晶体硅(熔点 1 410 ℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅过程如下： Si(粗)――→Cl2 460 ℃ SiCl4――→蒸馏 SiCl4(纯)――→H2 1 100 ℃ Si(硅) 写出 SiCl4 的电子式：________________；在上述由 SiCl4 制纯硅的反应中，测得每生成 1.12 kg 纯 硅需吸收 a kJ 热量，写出该反应的热化学方程式：__________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)[2015·安徽理综，27(4)]NaBH4(s)与水(l)反应生成 NaBO2(s)和氢气(g)，在 25 ℃、101 kPa 下，已知每消耗 3.8 g NaBH4(s)放热 21.6 kJ，该反应的热化学方程式是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)2Cl2(g)＋TiO2(s)＋2C(s)===TiCl4(l)＋2CO(g) ΔH＝－85.6 kJ·mol－1 (2)2Na(s)＋O2(g)===Na2O2(s) ΔH＝－511 kJ·mol－1 (3) SiCl4(g)＋2H2(g)=====1 100 ℃ Si(s)＋4HCl(g) ΔH＝＋0.025a kJ·mol－1 (4)NaBH4(s)＋2H2O(l)===NaBO2(s)＋4H2(g) ΔH＝－216 kJ·mol－1 热化学方程式书写易出现的错误 (1)未标明反应物或生成物的状态而造成错误。 (2)反应热的符号使用不正确，即吸热反应未标出“＋”号，放热反应未标出“－”号，从而 导致错误。 (3)漏写ΔH 的单位，或者将ΔH 的单位写为 kJ，从而造成错误。 (4)反应热的数值与方程式的计量数不对应而造成错误。 (5)对燃烧热、中和热的概念理解不到位，忽略其标准是 1 mol 可燃物或生成 1 mol H2O(l)而 造成错误。 6.(1)[2018·北京，27(1)]近年来，研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化 与存储。过程如下： 反应Ⅰ：2H2SO4(l)===2SO2(g)＋2H2O(g)＋O2(g) ΔH1＝＋551 kJ·mol－1 反应Ⅲ：S(s)＋O2(g)===SO2(g) ΔH3＝－297 kJ·mol－1 反应Ⅱ的热化学方程式：____________________________________________________。 答案 3SO2(g)＋2H2O(g)===2H2SO4(l)＋S(s) ΔH2＝－254 kJ·mol－1 解析 由题图可知，反应Ⅱ的化学方程式为 3SO2＋2H2O===== 催化剂 2H2SO4＋S↓。根据盖斯定律， 反应Ⅱ＝－(反应Ⅰ＋反应Ⅲ)可得：3SO2(g)＋2H2O(g)===2H2SO4(l)＋S(s) ΔH2＝－254 kJ·mol－1。 (2)[2018·江苏，20(1)]用水吸收 NOx 的相关热化学方程式如下： 2NO2(g)＋H2O(l)===HNO3(aq)＋HNO2(aq) ΔH＝－116.1 kJ·mol－1 3HNO2(aq)===HNO3(aq)＋2NO(g)＋H2O(l) ΔH＝75.9 kJ·mol－1 反应 3NO2(g)＋H2O(l)===2HNO3(aq)＋NO(g)的ΔH＝________ kJ·mol－1。 答案 －136.2 解析 将题给三个热化学方程式依次编号为①、②和③，根据盖斯定律可知，③＝(①×3＋ ②)/2，则ΔH＝(－116.1 kJ·mol－1×3＋75.9 kJ·mol－1)/2＝－136.2 kJ·mol－1。 (3)[2018·全国卷Ⅰ，28(2)①]已知：2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g) ΔH1＝－4.4 kJ·mol－1 2NO2(g)===N2O4(g) ΔH2＝－55.3 kJ·mol－1 则反应 N2O5(g)===2NO2(g)＋1 2O2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。 答案 ＋53.1 解析 令 2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g) ΔH1＝－4.4 kJ·mol－1 a 2NO2(g)===N2O4(g) ΔH2＝－55.3 kJ·mol－1 b 根据盖斯定律，a 式×1 2 －b 式可得： N2O5(g)===2NO2(g)＋1 2O2(g) ΔH＝＋53.1 kJ·mol－1。 (4)[2018·全国卷Ⅲ，28(2)]SiHCl3 在催化剂作用下发生反应： 2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g) ΔH1＝48 kJ·mol－1 3SiH2Cl2(g)===SiH4(g)＋2SiHCl3(g) ΔH2＝－30 kJ·mol－1 则反应 4SiHCl3(g)===SiH4(g)＋3SiCl4(g)的ΔH 为________kJ·mol－1。 答案 114 解析 将题给两个热化学方程式依次编号为①、②，根据盖斯定律，由①×3＋②可得： 4SiHCl3(g)===SiH4(g)＋3SiCl4(g)，则有ΔH＝3ΔH1＋ΔH2＝3×48 kJ·mol－1＋(－30 kJ·mol－1)＝ 114 kJ·mol－1。 (5)[2018·全国卷Ⅱ，27(1)节选]CH4—CO2 催化重整反应为 CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋ 2H2(g)。 已知：C(s)＋2H2(g)===CH4(g) ΔH＝－75 kJ·mol－1 C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝－394 kJ·mol－1 C(s)＋1 2O2(g)===CO(g) ΔH＝－111 kJ·mol－1 该催化重整反应的ΔH＝________kJ·mol－1。 答案 247 解析 将题给三个反应依次编号为①、②、③： C(s)＋2H2(g)===CH4(g) ΔH＝－75 kJ·mol－1① C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝－394 kJ·mol－1② C(s)＋1 2O2(g)===CO(g) ΔH＝－111 kJ·mol－1③ 根据盖斯定律，由③×2－①－②可得： CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g) ΔH＝247 kJ·mol－1。 叠加法求焓变 步骤 1 “倒” 为了将方程式相加得到目标方程式，可将方程式颠倒过来，反应热的数值不变，但符号相反。 这样，就不用再做减法运算了，实践证明，方程式相减时往往容易出错。 步骤 2 “乘” 为了将方程式相加得到目标方程式，可将方程式乘以某个倍数，反应热也要相乘。 步骤 3 “加” 上面的两个步骤做好了，只要将方程式相加即可得目标方程式，反应热也要相加。 1.下列关于反应热和热化学反应的描述中正确的是( ) A.HCl 和 NaOH 反应的中和热ΔH＝－57.3 kJ·mol－1，则 H2SO4 和 Ca(OH)2 反应的中和热ΔH＝ 2×(－57.3) kJ·mol－1 B.CO(g)的燃烧热ΔH＝－283.0 kJ·mol－1，则 2CO2(g)===2CO(g)＋O2(g)反应的ΔH＝＋2×283.0 kJ·mol－1 C.氢气的燃烧热ΔH＝－285.5 kJ·mol－1，则电解水的热化学方程式为 2H2O(l)===== 电解 2H2(g)＋ O2(g) ΔH＝＋285.5 kJ·mol－1 D.1 mol 甲烷燃烧生成气态水和二氧化碳所放出的热量是甲烷的燃烧热 答案 B 解析 在稀溶液中，强酸跟强碱发生中和反应生成 1 mol 液态 H2O 时的反应热叫做中和热， 中和热是以生成 1 mol 液态 H2O 为基准的，A 项错误；CO(g)的燃烧热ΔH＝－283.0 kJ·mol－1，则 CO(g)＋1 2O2(g)===CO2(g) ΔH＝－283.0 kJ·mol－1，则 2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g) ΔH＝－2× 283.0 kJ·mol－1，逆向反应时反应热的数值相等，符号相反，B 项正确；电解 2 mol 水吸收的 热量和 2 mol H2 完全燃烧生成液态水时放出的热量相等，ΔH 应为＋571.0 kJ·mol－1，C 项错 误；在 101 kPa 时，1 mol 物质完全燃烧生成稳定的氧化物(水应为液态)时所放出的热量是该 物质的燃烧热，D 项错误。 2.已知： 2NO2(g) N2O4(g) ΔH1 2NO2(g) N2O4(l) ΔH2 下列能量变化示意图中，正确的是______(填字母)。 答案 A 解析 等质量的 N2O4(g)具有的能量高于 N2O4(l)，因此等量的 NO2(g)生成 N2O4(l)放出的热量 多，只有 A 项符合题意。 对比法理解反应热、燃烧热与中和热 “三热”是指反应热、燃烧热与中和热，可以用对比法深化对这三个概念的理解，明确它们 的区别和联系，避免认识错误。 (1)化学反应吸收或放出的热量称为反应热，符号为ΔH，常用单位为 kJ·mol－1，它只与化学反 应的化学计量数、物质的聚集状态有关，而与反应条件无关。中学阶段研究的反应热主要是 燃烧热和中和热。 (2)燃烧热：在101kPa 时，1 mol 纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量。单位：kJ·mol－1。 需注意：①燃烧热是以1 mol 纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物放出的热量来定义的，因此在书写燃 烧热的热化学方程式时，一般以燃烧 1 mol 纯物质为标准来配平其余物质的化学计量数；② 燃烧产物必须是稳定的氧化物，如 C→CO2、H2→H2O(l)等。 (3)中和热：在稀溶液中，强酸跟强碱发生中和反应生成 1 mol 液态 H2O 时的反应热。需注意： ①稀溶液是指物质溶于大量水中；②中和热不包括离子在水溶液中的生成热、物质的溶解热、 电解质电离时的热效应；③中和反应的实质是 H＋和 OH－化合生成 H2O，即 H＋(aq)＋OH－ (aq)===H2O(l) ΔH＝－57.3 kJ·mol－1。 (4)反应热是指反应完全时的热效应，所以对于可逆反应，其热量要小于反应完全时的热量。 3.(1)[2017·全国卷Ⅲ，28(3)]已知：As(s)＋3 2H2(g)＋2O2(g)===H3AsO4(s) ΔH1 H2(g)＋1 2O2(g)===H2O(l) ΔH2 2As(s)＋5 2O2(g)===As2O5(s) ΔH3 则反应 As2O5(s)＋3H2O(l)===2H3AsO4(s)的ΔH＝________。 (2)[2017·全国卷Ⅰ，28(2)]下图是通过热化学循环在较低温度下由水或硫化氢分解制备氢气 的反应系统原理。 通过计算，可知系统(Ⅰ)和系统(Ⅱ)制氢的热化学方程式分别为_______________________、 ________________________________________________________________________，制得等 量 H2 所需能量较少的是________。 (3)[2016·全国卷Ⅱ，26(3)]①2O2(g)＋N2(g)===N2O4(l) ΔH1 ②N2(g)＋2H2(g)===N2H4(l) ΔH2 ③O2(g)＋2H2(g)===2H2O(g) ΔH3 ④2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH4＝－1 048.9 kJ·mol－1 上述反应热效应之间的关系式为ΔH4＝__________________________________________， 联氨和 N2O4 可作为火箭推进剂的主要原因为_______________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)[2017·海南，14(2)节选]已知：①2NaOH(s)＋CO2(g)===Na2CO3(s)＋H2O(g) ΔH1＝－127.4 kJ· mol－1 ②NaOH(s)＋CO2(g)===NaHCO3(s) ΔH2＝－131.5 kJ·mol－1 反应 2NaHCO3(s)===Na2CO3(s)＋H2O(g)＋CO2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。 (5)[2017·北京，26(1)①]氯化过程：TiO2 与 Cl2 难以直接反应，加碳生成 CO 和 CO2 可使反 应得以进行。 已知：TiO2(s)＋2Cl2(g)=== TiCl4(g)＋O2(g) ΔH1＝＋175.4 kJ·mol－1 2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH2＝－220.9 kJ·mol－1 沸腾炉中加碳氯化生成 TiCl4(g)和 CO(g)的热化学方程式：__________________________ ______________________________________________。 (6)(2016·江苏，8)通过以下反应均可获取 H2。下列有关说法正确的是________(填字母)。 ①太阳光催化分解水制氢：2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g) ΔH1＝571.6 kJ·mol－1 ②焦炭与水反应制氢：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH2＝131.3 kJ·mol－1 ③甲烷与水反应制氢：CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g) ΔH3＝206.1 kJ·mol－1 A.反应①中电能转化为化学能 B.反应②为放热反应 C.反应③使用催化剂，ΔH3 减小 D.反应 CH4(g)===C(s)＋2H2(g)的ΔH＝74.8 kJ·mol－1 答案 (1)2ΔH1－3ΔH2－ΔH3 (2)H2O(l)===H2(g)＋1 2O2(g) ΔH＝286 kJ·mol－1 H2S (g)===H2(g)＋S(s) ΔH＝20 kJ·mol－1 系统(Ⅱ) (3)2ΔH3－2ΔH2－ΔH1 反应放热量大、产生大量的气体 (4)＋135.6 (5)TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH＝－45.5 kJ·mol－1 (6)D 解析 (1)令题干中三个热化学方程式分别为：①、②、③，由盖斯定律可知①×2－②×3－ ③可得所求反应，故ΔH＝2ΔH1－3ΔH2－ΔH3。 (2)令题干中的四个热化学方程式分别为 ①H2SO4(aq)===SO2(g)＋H2O(l)＋1 2O2(g) ΔH1＝327 kJ·mol－1 ②SO2(g)＋I2(s)＋2H2O(l)===2HI(aq)＋H2SO4(aq) ΔH2＝－151 kJ·mol－1 ③2HI(aq)===H2(g)＋I2(s) ΔH3＝110 kJ·mol－1 ④H2S(g)＋H2SO4(aq)===S(s)＋SO2(g)＋2H2O(l) ΔH4＝61 kJ·mol－1 根据盖斯定律，将①＋②＋③可得，系统(Ⅰ)中的热化学方程式： H2O(l)===H2(g)＋1 2O2(g) ΔH＝ΔH1＋ΔH2＋ΔH3＝327 kJ·mol－1－151 kJ·mol－1＋110 kJ·mol－1 ＝286 kJ·mol－1 同理，将②＋③＋④可得，系统(Ⅱ)中的热化学方程式： H2S(g)===H2(g)＋S(s) ΔH＝ΔH2＋ΔH3＋ΔH4＝－151 kJ·mol－1＋110 kJ·mol－1＋61 kJ·mol－1 ＝20 kJ·mol－1 由所得两热化学方程式可知，制得等量 H2 所需能量较少的是系统(Ⅱ)。 (3)对照目标热化学方程式中的反应物和生成物在已知热化学方程式中的位置和化学计量数， 利用盖斯定律，故ΔH4＝2ΔH3－2ΔH2－ΔH1；联氨有强还原性，N2O4 具有强氧化性，两者混 合在一起易自发地发生氧化还原反应，反应放热量大并产生大量的气体，可为火箭提供很大 的推进力。 (4)①－2×②得到：2NaHCO3(s)===Na2CO3(s)＋CO2(g)＋H2O(g) ΔH＝(－127.4＋2×131.5) kJ·mol－1 ＝＋135.6 kJ·mol－1。 (6)反应①中是光能转化为化学能，A 错误；反应②中ΔH＞0，为吸热反应，B 错误；催化剂 只降低反应的活化能，不影响反应的焓变，C 错误；根据盖斯定律，目标反应可由反应③－ ②获得，ΔH＝206.1 kJ·mol－1－131.3 kJ·mol－1＝74.8 kJ·mol－1，D 正确。 考点二 原电池原理及其应用 1.图解原电池工作原理 2.原电池装置图的升级考查 说明 (1)无论是装置①还是装置②，电子均不能通过电解质溶液。 (2)在装置①中，由于不可避免会直接发生 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 而使化学能转化为热能，所 以装置②的能量转化率高。 (3)盐桥的作用：原电池装置由装置①到装置②的变化是由盐桥连接两个“半电池装置”，其 中盐桥的作用有三种：a.隔绝正负极反应物，避免直接接触，导致电流不稳定；b.通过离子的 定向移动，构成闭合回路；c.平衡电极区的电荷。 (4)离子交换膜作用：由装置②到装置③的变化是“盐桥”变成“质子交换膜”。离子交换膜 是一种选择性透过膜，允许相应离子通过，离子迁移方向遵循电池中离子迁移方向。 角度一 燃料电池 1.(2012·四川理综，11)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为 CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是( ) A.检测时，电解质溶液中的 H＋向负极移动 B.若有 0.4 mol 电子转移，则在标准状况下消耗 4.48 L 氧气 C.电池反应的化学方程式为 CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D.正极上发生的反应为 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 答案 C 解析 解答本题时审题是关键，反应是在酸性电解质溶液中进行的。在原电池中，阳离子要 向正极移动，故 A 错误；因电解质溶液是酸性的，不可能存在 OH－，故正极的反应式为 O2 ＋4H＋＋4e－===2H2O，转移 4 mol 电子时消耗 1 mol O2，则在标准状况下转移 0.4 mol 电子时 消耗 2.24 L O2，故 B、D 错误；电池反应式即正、负极反应式之和，将两极的反应式相加可 知 C 正确。 2.(2015·江苏，10)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是 ( ) A.反应 CH4＋H2O===== 催化剂 △ 3H2＋CO，每消耗 1 mol CH4 转移 12 mol 电子 B.电极 A 上 H2 参与的电极反应为 H2＋2OH－－2e－===2H2O C.电池工作时，CO 2－ 3 向电极 B 移动 D.电极 B 上发生的电极反应为 O2＋2CO2＋4e－===2CO2－ 3 答案 D 解析 A 项，C －4 H4→C ＋2 O，则该反应中每消耗 1 mol CH4 转移 6 mol 电子，错误；B 项，该电 池的传导介质为熔融的碳酸盐，所以 A 电极即负极上 H2 参与的电极反应为 H2－2e－＋ CO2－ 3 ===CO2＋H2O，错误；C 项，原电池工作时，阴离子移向负极，而 B 极是正极，错误； D 项，B 电极即正极上 O2 参与的电极反应为 O2＋4e－＋2CO2===2CO2－ 3 ，正确。 角度二 可逆电池 3.(2016·全国卷Ⅲ，11)锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为 KOH 溶液，反应为 2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)2－ 4 。下列说法正确的是( ) A.充电时，电解质溶液中 K＋向阳极移动 B.充电时，电解质溶液中 c(OH－)逐渐减小 C.放电时，负极反应为 Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)2－ 4 D.放电时，电路中通过 2 mol 电子，消耗氧气 22.4 L(标准状况) 答案 C 解析 A 项，充电时，电解质溶液中 K＋向阴极移动，错误；B 项，放电时总反应方程式为 2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)2－ 4 ，则充电时电解质溶液中 c(OH－)逐渐增大，错误；C 项，在碱性环境中负极 Zn 失电子生成的 Zn2＋，将与 OH－结合生成 Zn(OH)2－ 4 ，正确；D 项， O2～4e－，故电路中通过 2 mol 电子，消耗氧气 0.5 mol，标准状况下的体积为 11.2 L，错误。 4.(2017·全国卷Ⅲ，11)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－===3Li2S4 B.电池工作时，外电路中流过 0.02 mol 电子，负极材料减重 0.14 g C.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 答案 D 解析 A 项，原电池电解质中阳离子移向正极，根据全固态锂硫电池工作原理图示中 Li＋移 动 方 向 可 知 ， 电 极 a 为 正 极 ， 正 极 发 生 还 原 反 应 ， 由 总 反 应 可 知 正 极 依 次 发 生 S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2 的还原反应，正确；B 项，电池工作时负极电极方程式为 Li －e－===Li＋，当外电路中流过 0.02 mol 电子时，负极消耗的 Li 的物质的量为 0.02 mol，其质 量为 0.14 g，正确；C 项，石墨烯具有良好的导电性，故可以提高电极 a 的导电能力，正确； D 项，电池充电时为电解池，此时电解总反应为 8Li2Sx===== 电解 16Li＋xS8(2≤x≤8)，故 Li2S2 的 量会越来越少，错误。 角度三 储“氢”电池 5.(2014·浙江理综，11)镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型。 NiMH 中的 M 表示储氢金属或合金。该电池在充电过程中的总反应方程式是：Ni(OH)2＋ M===NiOOH＋MH 已知：6NiOOH＋NH3＋H2O＋OH－===6Ni(OH)2＋NO－ 2 下列说法正确的是( ) A.NiMH 电池放电过程中，正极的电极反应式为 NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－ B.充电过程中 OH－从阳极向阴极迁移 C.充电过程中阴极的电极反应式：H2O＋M＋e－===MH＋OH－，H2O 中的 H 被 M 还原 D.NiMH 电池中可以用 KOH 溶液、氨水等作为电解质溶液 答案 A 解析 A 项，放电过程中，NiOOH 得电子，化合价降低，发生还原反应，正确；B 项，充电 过程中发生电解反应，OH－从阴极向阳极迁移，错误；C 项，充电过程中 H＋得电子，生成 H， 进入储氢合金，Ni(OH)2 中的＋2 价 Ni 失电子生成 NiOOH，所以 H2O 的 H 被＋2 价的 Ni 还 原，错误；D 项，NiMH 在 KOH 溶液、氨水中会发生氧化还原反应，错误。 角度四 其他新型电池 6.(2018·全国卷Ⅰ，13)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： ①EDTAFe2＋－e－===EDTAFe3＋ ②2EDTAFe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTAFe2＋ 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＋H2O B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S C.石墨烯上的电势比 ZnO@石墨烯上的低 D.若采用 Fe3＋/Fe2＋取代 EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为酸性 答案 C 解析 由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则 ZnO@石墨烯电极 为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比 ZnO@ 石墨烯上的高，C 项错误；由题图可知，电解时阴极反应式为 CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O， A 项正确；将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为 CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B 项正确； Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D 项正确。 7.(2018·全国卷Ⅲ，11)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O2 与 Li＋在多孔 碳材料电极处生成 Li2O2－x(x＝0 或 1)。下列说法正确的是( ) A.放电时，多孔碳材料电极为负极 B.放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C.充电时，电解质溶液中 Li＋向多孔碳材料区迁移 D.充电时，电池总反应为 Li2O2－x===2Li＋(1－x 2)O2 答案 D 解析 由题意知，放电时负极反应为 Li－e － ===Li ＋ ，正极反应为(2－x)O2＋4Li ＋ ＋4e － ===2Li2O2－x(x＝0 或 1)，电池总反应为(1－x 2)O2＋2Li===Li2O2－x。充电时的电池总反应与放电 时的电池总反应互为逆反应，故充电时电池总反应为 Li2O2－x===2Li＋(1－x 2)O2，D 项正确； 该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A 项错误；该电池放电时，外电路电子 由锂电极流向多孔碳材料电极，B 项错误；该电池放电时，电解质溶液中 Li＋向多孔碳材料 区迁移，充电时电解质溶液中的 Li＋向锂材料区迁移，C 项错误。 8.(2018·全国卷Ⅱ，12)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＋4Na 2Na2CO3＋C。下列说法错误的是( ) A.放电时，ClO － 4 向负极移动 B.充电时释放 CO2，放电时吸收 CO2 C.放电时，正极反应为 3CO2＋4e－===2CO2－ 3 ＋C D.充电时，正极反应为 Na＋＋e－===Na 答案 D 解析 根据电池的总反应知，放电时负极反应：4Na－4e－===4Na＋ 正极反应：3CO2＋4e－===2CO2－ 3 ＋C 充电时，阴极：4Na＋＋4e－===4Na 阳极：2CO2－ 3 ＋C－4e－===3CO2↑ 放电时，ClO － 4 向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放 CO2，放电时吸 收 CO2。 题组一 辨析“介质”书写电极反应式 1.按要求书写不同“介质”下甲醇燃料电池的电极反应式。 (1)酸性介质，如 H2SO4 溶液： 负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋。 正极：3 2O2＋6e－＋6H＋===3H2O。 (2)碱性介质，如 KOH 溶液： 负极：CH3OH－6e－＋8OH－===CO2－ 3 ＋6H2O。 正极：3 2O2＋6e－＋3H2O===6OH－。 (3)熔融盐介质，如 K2CO3： 负极：CH3OH－6e－＋3CO2－ 3 ===4CO2＋2H2O。 正极：3 2O2＋6e－＋3CO2===3CO2－ 3 。 (4)掺杂 Y2O3 的 ZrO3 固体作电解质，在高温下能传导 O2－： 负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O。 正极：3 2O2＋6e－===3O2－。 题组二 明确“充、放电”书写电极反应式 2.镍镉(Ni—Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为 KOH 溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2O 放电 充电 Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。 负极：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2。 阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。 题组三 识别“交换膜”提取信息，书写电极反应式 3.如将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如下图是通过人工光合作用， 以 CO2 和 H2O 为原料制备 HCOOH 和 O2 的原理示意图。 负极：2H2O－4e－===O2＋4H＋。 正极：2CO2＋4H＋＋4e－===2HCOOH。 4.液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池 装置如图所示。 负极：N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O。 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－。 题组四 锂离子电池电极反应式书写 5. 某电动 汽车配载 一种可充放 电的锂离 子电池， 放电时电池 总反应为 Li1 － xCoO2 ＋ LixC6===LiCoO2＋C6(x＜1)。则： 负极：________________________________________________________________________， 正极：________________________________________________________________________。 答案 LixC6－xe－===xLi＋＋C6 Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2 锂离子电池充放电分析 常见的锂离子电极材料 正极材料：LiMO2(M：Co、Ni、Mn 等) LiM2O4(M：Co、Ni、Mn 等) LiMPO4(M：Fe 等) 负极材料：石墨(能吸附锂原子) 负极反应：LixCn－xe－===xLi＋＋nC 正极反应：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－===LiMO2 总反应：Li1－xMO2＋LixCn 放电 充电 nC＋LiMO2。 题组五 可逆反应电极反应式书写 6.控制适合的条件，将反应 2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2 设计成如下图所示的原电池。回答下列 问题： (1) 反 应 开 始 时 ， 负 极 为 ________ 中 的 石 墨 ( 填 “ 甲 ” 或 “ 乙 ”) ， 电 极 反 应 式 为 ________________________________________________________________________。 (2)电流表读数为________时，反应达到化学平衡状态。 (3)当达到化学平衡状态时，在甲中加入 FeCl2 固体，此时负极为________中的石墨(填“甲” 或“乙”)，电极反应式为______________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)乙 2I－－2e－===I2 (2)零 (3)甲 2Fe2＋－2e－===2Fe3＋ 考点三 电解池原理及其应用 1.图解电解池工作原理(阳极为惰性电极) 2.正确判断电极产物 ①阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极作阳极，则电极材料失电子，电极溶解(注意： 铁作阳极溶解生成 Fe2＋，而不是 Fe3＋)；如果是惰性电极，则需看溶液中阴离子的失电子能力， 阴离子放电顺序为 S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－(水)。 ②阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断： Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)。 3.对比掌握电解规律(阳极为惰性电极) 电解类型 电解质实例 溶液复原物质 电解水 NaOH、H2SO4 或 Na2SO4 水 电解电解质 HCl 或 CuCl2 原电解质 放氢生碱型 NaCl HCl 气体 放氧生酸型 CuSO4 或 AgNO3 CuO 或 Ag2O 注意 电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。一般是加入阳极产物 和阴极产物的化合物，但也有特殊情况，如用惰性电极电解 CuSO4 溶液，Cu2＋完全放电之前， 可加入 CuO 或 CuCO3 复原，而 Cu2＋完全放电之后，应加入 Cu(OH)2 或 Cu2(OH)2CO3 复原。 4.正误判断，下列说法正确的打“√”，错误的打“×” (1)电解质溶液导电发生化学变化(√) (2)电解精炼铜和电镀铜，电解液的浓度均会发生很大的变化(×) (3)电解饱和食盐水，在阳极区得到 NaOH 溶液(×) (4)工业上可用电解 MgCl2 溶液、AlCl3 溶液的方法制备 Mg 和 Al(×) (5)电解精炼铜时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料(√) (6)用惰性电极电解 CuSO4 溶液，若加入 0.1 mol Cu(OH)2 固体可使电解质溶液复原，则整个 电路中转移电子数为 0.4NA(√) 角度一 利用电解原理处理污染 1.[2016·天津理综，10(5)]化工生产的副产氢也是氢气的来源。电解法制取有广泛用途的 Na2FeO4，同时获得氢气：Fe＋2H2O＋2OH－===== 电解 FeO2－ 4 ＋3H2↑，工作原理如图 1 所示。装 置通电后，铁电极附近生成紫红色 FeO2－ 4 ，镍电极有气泡产生。若氢氧化钠溶液浓度过高， 铁电极区会产生红褐色物质。已知：Na2FeO4 只在强碱性条件下稳定，易被 H2 还原。 ①电解一段时间后，c(OH－)降低的区域在________(填“阴极室”或“阳极室”)。 ②电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，其原因： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③c(Na2FeO4)随初始 c(NaOH)的变化如图 2，任选 M、N 两点中的一点，分析 c(Na2FeO4)低于 最高值的原因： ________________________________________________________________________。 答案 ①阳极室 ②防止 Na2FeO4 与 H2 反应使产率降低 ③M 点：c(OH－)低，Na2FeO4 稳 定性差，且反应慢[或 N 点：c(OH－)过高，铁电极上有 Fe(OH)3 生成，使 Na2FeO4 产率降低] 解析 ①根据题意，镍电极有气泡产生是 H＋得电子生成 H2，发生还原反应，则铁电极上 OH －被消耗且无补充，溶液中的 OH－减少，因此电解一段时间后，c(OH－)降低的区域在阳极室。 ②H2 具有还原性，根据题意：Na2FeO4 只在强碱性条件下稳定，易被 H2 还原。因此，电解过 程中，需将阴极产生的气体及时排出，防止 Na2FeO4 与 H2 反应使产率降低。③根据题意 Na2FeO4 只在强碱性条件下稳定，在 M 点：c(OH－)低，Na2FeO4 稳定性差，且反应慢；在 N 点：c(OH－)过高，铁电极上有 Fe(OH)3 生成，使 Na2FeO4 产率降低。 角度二 利用电解原理制备物质 (一)“单膜”电解池 2.[2018·全国卷Ⅲ，27(3)①②]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 ________________________________________________________________________。 答案 ①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ ②K＋ 由 a 到 b 解析 ①电解液是 KOH 溶液，阴极的电极反应式为 2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。②电解过 程中阳极反应为 I－＋6OH－－6e－===IO－ 3 ＋3H2O。阳极的 K＋通过阳离子交换膜由电极 a 迁移 到电极 b。 (二)“双膜”电解池 3.[2018·全国卷Ⅰ，27(3)]制备 Na2S2O5 也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中 SO2 碱吸收液中含有 NaHSO3 和 Na2SO3。阳极的电极反应式为_____________________________ ________________________________________________________________________________ ___________________________________。 电解后，____________室的 NaHSO3 浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水，可得到 Na2S2O5。 答案 2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ a 解析 阳极上阴离子 OH－放电，电极反应式为 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中 H＋透 过阳离子交换膜进入 a 室，故 a 室中 NaHSO3 浓度增加。 4.用 NaOH 溶液吸收烟气中的 SO2，将所得的 Na2SO3 溶液进行电解，可循环再生 NaOH，同 时得到 H2SO4，其原理如下图所示(电极材料为石墨)。 (1)图中 a 极要连接电源的________(填“正”或“负”)极，C 口流出的物质是________。 (2)SO 2－ 3 放电的电极反应式为_____________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因：______________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________。 答案 (1)负 硫酸 (2)SO2－ 3 －2e－＋H2O===SO2－ 4 ＋2H＋ (3)H2O H＋＋OH－，在阴极 H＋放电生成 H2，c(H＋)减小，水的电离平衡正向移动，碱性增 强 解析 根据 Na＋、SO 2－ 3 的移向判断阴、阳极。Na＋移向阴极区，a 极应接电源负极，b 极应接 电源正极，其电极反应式分别为 阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 阳极：SO2－ 3 －2e－＋H2O===SO2－ 4 ＋2H＋ 所以从 C 口流出的是 H2SO4。在阴极区，由于 H＋放电，破坏水的电离平衡，c(H＋)减小，c(OH－) 增大，生成 NaOH，碱性增强，从 B 口流出的是浓度较大的 NaOH 溶液。 (三)“多膜”电解池 5.[2014·新课标全国卷Ⅰ，27(4)]H3PO2 也可用电渗析法制备。“四室电渗析法”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)： ①写出阳极的电极反应式：_______________________________________________________。 ②分析产品室可得到 H3PO2 的原因：________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③早期采用“三室电渗析法”制备 H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用 H3PO2 稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产 品中混有____________杂质。该杂质产生的原因是_________________________________。 答案 ①2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ ②阳极室的 H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的 H2PO － 2 穿过阴膜扩散至产品室，二者反应 生成 H3PO2 ③PO3－ 4 H2PO － 2 或 H3PO2 被氧化 解析 ①阳极发生氧化反应，在反应中 OH－失去电子，电极反应式为 2H2O－4e－===O2↑＋ 4H＋。 ②H2O 放电产生 H＋，H＋进入产品室，原料室的 H2PO － 2 穿过阴膜扩散至产品室，二者发生反 应：H＋＋H2PO－ 2 H3PO2。 ③如果撤去阳膜，H2PO － 2 或 H3PO2 可能会被氧化。 角度三 电化学学科交叉计算 6.Ⅰ.[2015·全国卷Ⅱ，26(1)(2)]酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是 碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2 和 NH4Cl 等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生 MnOOH。 (1)该电池的正极反应式为__________________________________________________； 电池反应的离子方程式为___________________________________________________。 (2)维持电流强度为 0.5A，电池工作 5 分钟，理论上消耗锌________g。(已知 F＝96 500 C·mol－1) Ⅱ.新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。 如图所示，其中多孔电极不参与电极反应。 (1)该电池的负极反应式为___________________________________________________。 (2)如果用该电池作为电解装置，当有 16 g 甲醇发生反应时，则理论上提供的电量表达式为 __________________________________C(1 个电子的电量为 1.6×10－19C)。 Ⅲ.以 CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀 H2SO4 作电解质溶液，其负极电极反 应式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________， 已知该电池的能量转换效率为 86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1，则该电池的比能量 为________kW·h·kg－1(结果保留 1 位小数，比能量＝电池输出电能kW·h 燃料质量kg ,1 kW·h＝3. 6×106 J)。 答案 Ⅰ.(1)MnO2＋H＋＋e－===MnOOH 2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋ [注：式中 Zn2＋可写为 Zn(NH3)2＋ 4 、Zn(NH3)2Cl2 等，H＋可写为 NH＋ 4 ] (2)0.05 Ⅱ.(1)CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O (2)0.5 mol×6×1.6×10－19C×6.02×1023 mol－1(或 2.890×105) Ⅲ.CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋ 13.4 解析 Ⅲ.甲烷燃料电池中，甲烷在负极被氧化，电解质为硫酸，负极反应式：CH4－8e－＋ 2H2O===CO2＋8H＋，该电池的能量转换效率为 86.4%，甲烷的燃烧热为－890.3 kJ·mol－1,1 mol 甲烷燃烧输出的电能为890.3×103 J×86.4% 3.6×106 J·kW·h－1 ≈0.214 kW·h，比能量＝ 电池输出电能kW·h 燃料质量kg ＝ 0.214 kW·h 16×10－3kg ≈13.4 kW·h·kg－1。 学科交叉的主要计算公式 化学与物理结合的计算，主要涉及两个公式： (1)Q＝It＝n(e－)F，F 计算时一般取值 96 500 C·mol－1。(2)W＝UIt。 题组一 电解池电极反应式书写集训 (一)基本电极反应式的书写 1.按要求书写电极反应式 (1)用惰性电极电解 NaCl 溶液： 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑。 阴极：2H＋＋2e－===H2↑。 (2)用惰性电极电解 CuSO4 溶液： 阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑(或 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋)。 阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu。 (3)铁作阳极，石墨作阴极电解 NaOH 溶液： 阳极：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2。 阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。 (4)用惰性电极电解熔融 MgCl2： 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑。 阴极：Mg2＋＋2e－===Mg。 (二)提取“信息”书写电极反应式 2.按要求书写电极反应式 (1)以铝材为阳极，在 H2SO4 溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极反应式为 2Al－6e－＋ 3H2O===Al2O3＋6H＋。 (2)用 Al 单质作阳极，石墨作阴极，NaHCO3 溶液作电解液进行电解，生成难溶物 R，R 受热 分解生成化合物 Q，写出阳极生成 R 的电极反应式：Al＋3HCO－ 3 －3e－===Al(OH)3↓＋3CO2↑ (3)离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl － 7 和 AlCl － 4 组成的离子液 体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与 电极反应，则电极反应式为 阳极：Al－3e－＋7AlCl－ 4 ===4Al2Cl－ 7 。 阴极：4Al2Cl－ 7 ＋3e－===Al＋7AlCl－ 4 。 (4)用惰性电极电解 K2MnO4 溶液能得到化合物 KMnO4，则电极反应式为 阳极：2MnO2－ 4 －2e－===2MnO－ 4 。 阴极：2H＋＋2e－===H2↑。 (5)将一定浓度的磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氯化锂混合液作为电解液，以铁棒作阳极，石墨为 阴极，电解析出 LiFePO4 沉淀，则阳极反应式为 Fe＋H2PO－ 4 ＋Li＋－2e－===LiFePO4↓＋2H＋。 (三)根据“交换膜”利用“信息”书写电极反应式 3.按要求书写电极反应式： (1)电解装置如图，电解槽内装有 KI 及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压 下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。 已知：3I2＋6OH－===IO－ 3 ＋5I－＋3H2O 阳极：2I－－2e－===I2。 阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。 (2)可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的 SO2，当吸收液失去吸收能力时，可通过电解法使 吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极)，并生成化工原料硫酸。其工作示意图如下： 阳极：HSO－ 3 －2e－＋H2O===3H＋＋SO2－ 4 。 阴极：2H＋＋2e－===H2↑(或 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－)。 题组二 金属腐蚀与防护 (一)两种腐蚀的比较 4.利用下图装置进行实验，开始时，a、b 两处液面相平，密封好，放置一段时间。下列说法 不正确的是( ) A.a 处发生吸氧腐蚀，b 处发生析氢腐蚀 B.一段时间后，a 处液面高于 b 处液面 C.a 处溶液的 pH 增大，b 处溶液的 pH 减小 D.a、b 两处具有相同的电极反应式：Fe－2e－===Fe2＋ 答案 C 解析 根据装置图判断，左边铁丝发生吸氧腐蚀，右边铁丝发生析氢腐蚀，其电极反应为 左边 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 右边 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极：2H＋＋2e－===H2↑ a、b 处溶液的 pH 均增大，C 错误。 5.结合图判断，下列叙述正确的是( ) A.Ⅰ和Ⅱ中正极均被保护 B.Ⅰ和Ⅱ中负极反应均是 Fe－2e－===Fe2＋ C.Ⅰ和Ⅱ中正极反应均是 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D.Ⅰ和Ⅱ中分别加入少量 K3[Fe(CN)6]溶液均有蓝色沉淀 答案 A 解析 根据原电池形成的条件，Ⅰ中 Zn 比 Fe 活泼，Zn 作负极，Fe 为正极，保护了 Fe；Ⅱ 中 Fe 比 Cu 活泼，Fe 作负极，Cu 为正极，保护了 Cu，A 项正确；Ⅰ中负极为锌，负极发生 氧化反应，电极反应为 Zn－2e－===Zn2＋，B 项错误；Ⅰ中发生吸氧腐蚀，正极为 O2 得电子 生成 OH－，Ⅱ中为酸化的 NaCl 溶液，发生析氢腐蚀，在正极上发生还原反应，电极反应为 2H＋＋2e－===H2↑，C 项错误；[Fe(CN)6]3－是稳定的配合物离子，与 Fe2＋发生反应：3Fe2＋ ＋2[Fe(CN)6]3－===Fe3[Fe(CN)6]2↓，故加入少量 K3[Fe(CN)6]溶液有蓝色沉淀是 Fe2＋的性 质，Ⅰ装置中不能生成 Fe2＋，Ⅱ装置中负极铁失电子生成 Fe2＋，D 项错误。 (二)腐蚀类型与防护方法 6.(2017·全国卷Ⅰ，11)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 答案 C 解析 钢管桩接电源的负极，高硅铸铁接电源的正极，通电后，外电路中的电子从高硅铸铁(阳 极)流向正极，从负极流向钢管桩(阴极)，A、B 正确；C 项，题给信息高硅铸铁为“惰性辅 助阳极”不损耗，错误。 1.金属腐蚀快慢的三个规律 (1)金属腐蚀类型的差异 电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护腐蚀措施的腐蚀。 (2)电解质溶液的影响 ①对同一金属来说，腐蚀的快慢(浓度相同)：强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。 ②对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，腐蚀越快。 (3)活泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快。 2.两种腐蚀与三种保护 (1)两种腐蚀：析氢腐蚀、吸氧腐蚀(关键在于电解液的 pH)。 (2)三种保护：电镀保护、牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法。 专题强化练 1.(2018·辽源市田家炳高级中学等五校高三上学期期末)能源问题是人类生存和社会发展的重 要问题，下列关于能源问题的说法正确的是( ) A.氢气是具有热值高、无污染等优点的燃料 B.采用新技术开采煤、石油和天然气，以满足经济发展的需要 C.煤燃烧是化学能只转化为热能的过程 D.风能是太阳能的一种转换形式，所以风能属于二次能源 答案 A 解析 A 项，氢气的热值高，氢气燃烧生成 H2O，H2O 对环境无影响，正确；B 项，煤、石 油、天然气都是化石能源，不可再生，因此应研究新的能源，满足经济发展的需要，错误； C 项，煤燃烧除化学能转化成热能外，还转化成光能等，错误；D 项，一次能源是直接取自 自然界没有经过加工转化的各种能量和资源，如石油、煤、风能、太阳能等，二次能源是由 一次能源经过加工转化以后得到的能源产品，如电力、蒸气、煤气等，错误。 2.(2018·辽宁省五校高三上学期期末)研究表明 N2O 与 CO 在 Fe＋作用下发生反应的能量变化 及反应历程如图所示，下列说法错误的是( ) A.反应总过程ΔH<0 B.Fe＋使反应的活化能减小 C.总反应若在 2 L 的密闭容器中进行，温度越高反应速率一定越快 D.Fe＋＋N2O―→FeO＋＋N2、FeO＋＋CO―→Fe＋＋CO2 两步反应均为放热反应 答案 C 解析 A 项，反应物的总能量高于生成物的总能量，则反应是放热反应，所以反应的ΔH＜0， 正确；B 项，Fe＋是催化剂，降低该反应的活化能，所以 Fe＋使该反应的活化能减小，正确； C 项，该反应的总反应为 N2O＋CO===N2＋CO2，反应过程中使用了催化剂，催化剂的活性 与温度有关，只有在适当的温度范围内才能发挥催化剂的催化活性，因此温度越高，反应速 率不一定越快，错误；D 项，由图可知 Fe＋＋N2O―→FeO＋＋N2、FeO＋＋CO―→Fe＋＋CO2 两步反应都是反应物的总能量高于生成物的总能量，所以两步反应均为放热反应，正确。 3.室温下，将 1 mol 的 CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低，热效应为ΔH1，将 1 mol 的 CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高，热效应为ΔH2；CuSO4·5H2O 受热分解的化学方程式为 CuSO4·5H2O(s)===== △ CuSO4(s)＋5H2O(l)，热效应为ΔH3。则下列判断正确的是( ) A.ΔH2＞ΔH3 B.ΔH1＜ΔH3 C.ΔH1＋ΔH3＝ΔH2 D.ΔH1＋ΔH2＞ΔH3 答案 B 解析 1 mol CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低，为吸热反应，故ΔH1＞0,1 mol CuSO4(s) 溶于水会使溶液温度升高，为放热过程，故ΔH2＜0,1 mol CuSO4·5H2O(s)溶于水可以分为两个 过程，先分解成 1 mol CuSO4(s)和 5 mol 水，然后 1 mol CuSO4(s)再溶于水，CuSO4·5H2O 的 分解为吸热反应，即ΔH3＞0，根据盖斯定律得到关系式ΔH1＝ΔH2＋ΔH3，分析得到答案：ΔH1 ＜ΔH3。 4.(2018·北京，12)验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的 3%NaCl 溶 液)。 ① ② ③ 在 Fe 表面生成蓝色沉淀 试管内无明显变化 试管内生成蓝色沉淀 下列说法不正确的是( ) A.对比②③，可以判定 Zn 保护了 Fe B.对比①②，K3[Fe(CN)6]可能将 Fe 氧化 C.验证 Zn 保护 Fe 时不能用①的方法 D.将 Zn 换成 Cu，用①的方法可判断 Fe 比 Cu 活泼 答案 D 解析 K3[Fe(CN)6]可将单质铁氧化为 Fe2＋，Fe2＋与 K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀，附着在 Fe 表面，无法判断铁比铜活泼，D 错误；实验②中加入 K3[Fe(CN)6]，溶液无变化，说明溶液 中没有 Fe2＋；实验③中加入 K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀，说明溶液中有 Fe2＋，A 对；对比①② 可知，①中 K3[Fe(CN)6]可将 Fe 氧化成 Fe2＋，Fe2＋再与 K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色沉淀，B 对；由以上分析可知，验证 Zn 保护 Fe 时，可以用②③做对比实验，C 对。 5.(2018·青岛市高三 5 月二模)下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%，下列说法不正确的是( ) A.若η＝75%，则参加反应的苯为 0.8 mol B.过程中通过 C—H 键断裂实现氢的储存 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 答案 B 解析 A 项，根据图示，苯加氢发生还原反应生成环己烷，装置中右侧电极为阴极，左侧电 极为阳极，根据放电顺序，左侧电极的电极反应式为 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成 1.6 mol O2 失去电子物质的量为 6.4 mol，根据阴、阳极得失电子总数相等，阴极得到电子总数为 6.4 mol， 若η＝75%，则生成环己烷消耗的电子的物质的量为 6.4 mol×75%＝4.8 mol，苯发生的电极反 应为 ＋6e－＋6H＋=== ，参加反应的苯的物质的量为 n( )＝4.8 mol÷6＝0.8 mol，正 确；B 项，该过程中苯被还原为环己烷，C—H 键没有断裂，形成新的 C—H 键，错误；C 项， 采用多孔电极增大了接触面积，使反应更充分，可降低电池能量损失，正确；D 项，储氢是 将苯转化为环己烷，电极反应式为 C6H6＋6e－＋6H＋===C6H12，正确。 6.(2016·全国卷Ⅰ，11)三室式电渗析法处理含 Na2SO4 废水的原理如图所示，采用惰性电极， ab、cd 均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的 Na＋和 SO 2－ 4 可通过离子交换膜， 而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。 下列叙述正确的是( ) A.通电后中间隔室的 SO 2－ 4 离子向正极迁移，正极区溶液 pH 增大 B.该法在处理含 Na2SO4 废水时可以得到 NaOH 和 H2SO4 产品 C.负极反应为 2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液 pH 降低 D.当电路中通过 1 mol 电子的电量时，会有 0.5 mol 的 O2 生成 答案 B 解析 电解池中阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，即 SO 2－ 4 离子向正极区移动，Na＋ 向负极区移动，正极区水电离的 OH－发生氧化反应生成氧气，H＋留在正极区，该极得到 H2SO4 产品，溶液 pH 减小，负极区水电离的 H＋发生还原反应生成氢气，OH－留在负极区，该极得 到 NaOH 产品，溶液 pH 增大，故 A、C 项错误，B 项正确；该电解池相当于电解水，根据 电解水的方程式可计算出当电路中通过 1 mol 电子的电量时，会有 0.25 mol 的 O2 生成，D 项 错误。 7.(2018·宜昌市高三 4 月调研)锂—空气电池的工作原理如图所示。其中多孔电极材料选用纳 米多孔金时， 该电池表现出良好的循环性能。电池反应为： 2Li＋O2===Li2O2。 下列说法 错误的是( ) A.该电池的电解液常用锂盐的有机溶液 B.电池工作时，外电路中流过 0.01 mol 电子，负极材料减重 0.07 g C.电池工作时，正极反应可能经过两个过程： Li＋＋O2＋e－===LiO2；Li＋＋LiO2＋e－===Li2O2 D.电池充电时间越长，电池中 Li2O2 越多 答案 D 解析 A 项，该电池的负极是 Li，所以电解质溶液不能是水溶液，根据图示，锂离子定向移 动，故电解液常用锂盐的有机溶液，正确；B 项，负极的电极反应为：Li－e－===Li＋，外电 路中流过 0.01 mol 电子，即有 0.01 mol Li 反应，负极材料减重 0.07 g，正确；C 项，根据总 反应 Li 最终转化成了 Li2O2，所以正极可能先生成 LiO2，再生成 Li2O2，故正极反应可能经 过两个过程：Li＋＋O2＋e－===LiO2；Li＋＋LiO2＋e－===Li2O2，正确；D 项，充电时的反应为： Li2O2===2Li＋O2，电池充电时间越长，电池中 Li2O2 越少，错误。 8.(2018·聊城市高三二模)NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法 制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是( ) A.若直流电源为铅蓄电池，则 b 极为 Pb B.阳极反应式为 ClO2＋e－===ClO－ 2 C.交换膜左侧 NaOH 的物质的量不变，气体 X 为 Cl2 D.制备 18.1 g NaClO2 时理论上有 0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移 答案 C 解析 A 项，左边通入 ClO2，ClO2 得电子产生 ClO－ 2 ，故左边电极为阴极，连接电源的负极， 铅蓄电池 Pb 极为负极，则 a 极为 Pb，错误；B 项，阳极氯离子失电子产生氯气，电极反应 式为 2Cl－－2e－===Cl2，错误；C 项，交换膜左侧 NaOH 不参与电极反应，物质的量不变，根 据选项 B 分析气体 X 为 Cl2，正确；D 项，电解池中阳离子向阴极移动，则制备 18.1 g NaClO2 即 0.2 mol 时理论上有 0.2 mol Na＋由交换膜右侧向左侧迁移，错误。 9.(2018·湖北省沙市中学高三高考冲刺)已知高能锂离子电池的总反应式为 2Li＋FeS===Fe＋ Li2S，LiPF6·SO(CH3)2 为电解质，用该电池为电源电解含镍酸性废水并得到单质 Ni 的实验装 置如图所示。下列说法不正确的是( ) A.电极 Y 应为 Li B.电解过程中，b 中 NaCl 溶液的物质的量浓度将不断减小 C.X 极反应式为 FeS＋2Li＋＋2e－===Fe＋Li2S D.若将图中阳离子膜去掉，将 a、b 两室合并，则电解反应总方程式发生改变 答案 B 解析 A 项，镍离子在阴极放电，因此镀镍铁棒是阴极，则电极 Y 是负极，即为 Li，正确； B 项，碳棒是阳极，氢氧根放电，钠离子通过阳离子膜进入 b 室，c 中的氯离子通过阴离子 交换膜进入 b 室，所以电解过程中，b 中 NaCl 溶液的物质的量浓度将不断增大，错误；C 项， X 极是正极，反应式为 FeS＋2Li＋＋2e－===Fe＋Li2S，正确；D 项，若将图中阳离子膜去掉， 将 a、b 两室合并，阳极是氯离子放电，因此电解反应总方程式发生改变，正确。 10.(2018·北京市海淀区高三上学期期末)2015 年斯坦福大学研究人员研制出一种可在一分钟 内完成充、放电的超常性能铝离子电池，内部用 AlCl － 4 和有机阳离子构成电解质溶液，其放 电工作原理如下图所示。下列说法不正确的是( ) A.放电时，铝为负极、石墨为正极 B.放电时，有机阳离子向铝电极方向移动 C.放电时的负极反应：Al－3e－＋7AlCl－ 4 ===4Al2Cl－ 7 D.充电时的阳极反应：Cn＋AlCl－ 4 －e－===CnAlCl4 答案 B 解析 A 项，放电时是原电池，铝是活性电极，石墨为惰性电极，铝为负极、石墨为正极， 正确；B 项，在原电池中，阳离子向正极移动，有机阳离子由铝电极向石墨电极方向移动， 错误；C 项，根据示意图，放电时，铝为负极，失去电子与 AlCl － 4 生成 Al2Cl－ 7 ，负极反应： Al－3e－＋7AlCl－ 4 ===4Al2Cl－ 7 ，正确；D 项，充电时，阳极发生氧化反应，电极反应式为 Cn ＋AlCl－ 4 － e－===CnAlCl4，正确。 11.(2018·唐山市五校高三联考)一种 Cu—Li 可充电电池的工作原理如图所示，其中非水系电 解液和水系电解液被锂离子固体电解质陶瓷片(LISICON)隔开。下列说法正确的是( ) A.陶瓷片允许水分子通过 B.电池放电时，N 极发生氧化反应 C.电池充电时，阴极反应为 Li＋＋e－===Li D.电池充电时，接线柱 B 应与外接直流电源的负极相连 答案 C 解析 A 项，非水系电解液和水系电解液被锂离子固体电解质陶瓷片(LISICON)隔开，则陶 瓷片允许 Li＋通过，不允许水分子通过，错误；B 项，放电时，金属锂是负极，发生失电子 的氧化反应，M 是负极，N 为电池的正极，发生还原反应，错误；C 项，充电时，阴极反应 和放电时的负极反应互为逆过程，电极反应为：Li＋＋e－===Li，正确。 12.(2018·滨州市高三二模)用电解法可提纯粗 KOH 溶液(含硫酸钾、碳酸钾等)，其工作原理 如图所示。下列说法正确的是( ) A.电极 f 为阳极，电极 e 上 H＋发生还原反应 B.电极 e 的电极反应式为 4OH－－4e－===2H2O ＋O2↑ C.d 处流进粗 KOH 溶液，g 处流出纯 KOH 溶液 D.b 处每产生 11.2 L 气体，必有 1 mol K＋穿过阳离子交换膜 答案 B 解析 根据图示，K＋移向电极 f，所以 f 是阴极，e 是阳极，阳极 OH－发生氧化反应生成氧 气，故 A 错误；电极 e 的电极反应式为 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，故 B 正确；c 处流进粗 KOH 溶液，h 处流出纯 KOH 溶液，故 C 错误；f 是阴极，H＋发生还原反应生成氢气，非标 准状况下 11.2 L 氢气的物质的量不一定是 0.5 mol，故 D 错误。 13.按要求回答下列问题： (1)以天然气为原料制取氢气是工业上常用的制氢方法。 已知： ①CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g) ΔH1＝a kJ·mol－1 ②CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g) ΔH2＝b kJ·mol－1 ③CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g) ΔH3 请计算上述反应中的反应热ΔH3＝________(用 a、b 表示)kJ·mol－1。 答案 2a－b 解析 根据盖斯定律可得③＝①×2－②，所以ΔH3＝2ΔH1－ΔH2＝(2a－b)kJ·mol－1。 (2)已知：2H2(g)＋O2(g)===2H2O (g) ΔH1 2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g) ΔH2 C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH3 C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) ΔH 则ΔH＝________________(用含ΔH1、ΔH2、ΔH3 的式子表示)。 答案 ΔH3－1 2ΔH1－1 2ΔH2 解析 已知：①2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH1； ②2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g) ΔH2； ③C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH3； 根据盖斯定律，由③－1 2 ×①－1 2 ×②得反应 C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) ΔH＝ΔH3－ 1 2ΔH1－1 2ΔH2。 (3)某课题组实现了在常温常压下，以氮气和液态水为原料制备氨气同时有氧气生成。 已知，在一定温度和压强下，由最稳定的单质生成 1 mol 纯物质的热效应，称为该物质的生 成热(ΔH)。常温常压下，相关物质的生成热如下表所示： 物质 NH3(g) H2O(l) ΔH/kJ·mo1－1 －46 －242 上述合成氨反应的热化学方程式为____________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 2N2(g)＋6H2O(l)===3O2(g)＋4NH3(g) ΔH＝＋1 268 kJ·mol－1 解析 由题意知①式：N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g) ΔH1＝(－46×2)kJ·mol－1，②式：2H2(g)＋ O2(g)===2H2O(l) ΔH2 ＝ ( － 242×2)kJ·mol － 1,2×① － 3×② 得 方 程 式 为 2N2(g) ＋ 6H2O(l)===3O2(g)＋4NH3(g) ΔH＝2ΔH1－3ΔH2＝＋1 268 kJ·mol－1。 (4)已知：①COS(g)＋H2(g) H2S(g)＋CO(g) ΔH1＝－17 kJ·mol－1 ②COS(g)＋H2O(g) H2S(g)＋CO2(g) ΔH2＝－35 kJ·mol－1 ③CO(g)＋H2O(g) H2(g)＋CO2(g) ΔH3 则ΔH3＝________________。 答案 －18 kJ·mol－1 解析 ①COS(g)＋H2(g) H2S(g)＋CO(g) ΔH1＝－17 kJ·mol－1 ②COS(g)＋H2O(g) H2S(g)＋CO2(g) ΔH2＝－35 kJ·mol－1 ③CO(g)＋H2O(g) H2(g)＋CO2(g) ΔH3 根据已知由 ②－①＝③可得ΔH3＝ΔH2－ΔH1＝－35 kJ·mol－1－(－17 kJ·mol－1)＝－18 kJ·mol－1。 (5)下图所示为 1 mol CH4 完全燃烧生成气态水的能量变化和 1 mol S(g)燃烧的能量变化。在催 化剂作用下，CH4 可以还原 SO2 生成单质 S(g)、H2O(g)和 CO2，写出该反应的热化学方程式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 CH4(g)＋2SO2(g)===2S(g)＋CO2(g)＋2H2O(g) ΔH＝＋352 kJ·mol－1 解析 根据图像可知： ①CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g) ΔH＝Ea1－Ea2＝126 kJ·mol－1－928 kJ·mol－1＝－802 kJ·mol－1 ②S(g)＋O2(g)===SO2(g) ΔH＝－577 kJ·mol－1； 根据盖斯定律可知①－②×2 即得到 CH4和SO2反应的热化学方程式为CH4(g)＋2SO2(g)===CO2(g)＋2S(g)＋2H2O(g) ΔH＝＋352 kJ·mol－1。 (6)汽车排气管内的催化转化器可实现尾气无毒处理。 已知：N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH＝＋180.5 kJ·mol－1 2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－221.0 kJ·mol－1 CO2(g)===C(s)＋O2(g) ΔH＝＋393.5 kJ·mol－1 则反应 2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。 答案 －746.5 解析 将反应编号，N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH＝＋180.5 kJ·mol－1(①式) 2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－221.0 kJ·mol－1(②式) CO2(g)===C(s)＋O2(g) ΔH＝＋393.5 kJ·mol－1(③式) 应用盖斯定律，将①式＋②式＋③式×2 得，N2(g)＋2CO2(g)===2NO(g)＋2CO(g) ΔH＝(＋ 180.5 kJ·mol－1)＋(－221.0 kJ·mol－1)＋(＋393.5 kJ·mol－1)×2＝＋746.5 kJ·mol－1，则反应2NO(g) ＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)的ΔH＝－746.5 kJ·mol－1。 14.按要求回答下列问题： (1)为提高燃料的能量利用率，常将其设计为燃料电池。某电池以甲烷为燃料，空气为氧化剂， 熔融的 K2CO3 为电解质，以具有催化作用和导电性能的稀土金属为电极。写出该燃料电池的 负极反应式：_________________________________________________________________； 为使电解质的组成保持稳定，使该燃料电池长时间稳定运行，在通入的空气中必须加入 ________(填化学式)。 答案 CH4－8e－＋4CO2－ 3 ===5CO2＋2H2O CO2 解析 甲烷燃料电池以甲烷为燃料，以空气为氧化剂，以熔融的 K2CO3 为电解质，电池负极 反应为：CH4－8e－＋4CO2－ 3 ===5CO2＋2H2O，正极反应为 O2＋4e－＋2CO2===2CO2－ 3 ，总反应 为 CH4＋2O2===CO2＋2H2O，由于通入空气的一极是电源的正极，正极上消耗二氧化碳，为 使电解质的组成保持稳定，使该燃料电池长时间稳定运行，在通入的空气中必须加入 CO2。 (2)利用生物电池，以 H2、N2 为原料合成氨的装置如下图所示。 Q、R 均为催化剂，据图示判断，负极反应的催化剂为________(填“Q”或“R”)；正极的 电极反应式为______________________________________________________________。 答案 Q N2＋6H＋＋6e－===2NH3 解析 根据原电池工作原理，负极上失去电子，化合价升高，所以通氢气的一端为负极，根 据装置图判断，Q 为负极催化剂；通氮气的一端为正极，根据工作原理，正极反应式为：N2 ＋6H＋＋6e－===2NH3。 (3)NiOOH 可作为镍氢电池的电极材料，该电池的工作原理如下图所示，其放电时，正极的 电极反应式为_______________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－ 解析 放电时为原电池，正极发生还原反应，NiOOH 被还原为 Ni(OH)2，正极的电极反应式 为：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－。 (4)某化学兴趣小组同学欲探究可逆反应：AsO3－ 3 ＋I2＋2OH－ AsO3－ 4 ＋2I－＋H2O。设计如 下图 1 所示装置。实验操作及现象：按图 1 装置加入试剂并连接装置，电流由 C2 流入 C1。 当 电流变为零时，向图 1 装置左边烧杯中逐滴加入一定量 2 mol·L－1 盐酸，发现又产生电流，实 验中电流与时间的关系如图 2 所示： ①图 2 中 AsO 3－ 4 的逆反应速率：a________b( 填“ >” “<”或“ ＝” )。 ②写出图 2 中 c 点对应图 1 装置的正极反应式：________________________________ ________________________________________________________________________。 ③能判断该反应达到平衡状态的是________。 a.2v(I－)正＝v(AsO3－ 3 )逆 b.溶液的 pH 不再变化 c.电流表示数变为零 d.溶液颜色不再变化 答案 ①< ②AsO3－ 4 ＋2e－＋2H＋===AsO3－ 3 ＋H2O ③bcd (5)用电化学法模拟工业处理 SO2。将硫酸工业尾气中的 SO2 通入如图装置(电极均为惰性材料) 进行实验，可用于制备硫酸，同时获得电能： ①M 极发生的电极反应式为___________________________________________________。 ②当外电路通过 0.2 mol 电子时，质子交换膜左侧的溶液质量________(填“增大”或“减 小”)________g。 答案 ①SO2＋2H2O－2e－===SO2－ 4 ＋4H＋ ②增大 6.2 解析 ①反应本质是二氧化硫、氧气与水反应生成硫酸，M 电极为负极，N 电极为正极，M 电极上二氧化硫失去电子氧化生成 SO2－ 4 ，根据原子守恒和电荷守恒可知，有水参加反应，有 氢离子生成，电极反应式为：SO2＋2H2O－2e－===SO2－ 4 ＋4H＋。②负极反应式为：SO2＋2H2O －2e－===SO2－ 4 ＋4H＋，正极反应式为 O2 ＋4e－＋4H＋===2H2O，当外电路通过 0.2 mol 电子时， 负极反应的二氧化硫为 0.1 mol，质量为 6.4 g，同时有 0.2 mol 氢离子通过质子交换膜进入右 侧，左侧溶液质量增大 6.4 g－0.2 g＝6.2 g。 (6)某种燃料电池以熔融碳酸钠、碳酸钾为电解质，其工作原理如图所示，该电池负极的电极 反应式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 若电极 B 附近通入 1 m3 空气(假设空气中 O2 的体积分数为 20% )并完全反应，理论上可消耗 相同条件下 CH4 的体积为________m3。 答案 CH4＋4CO2－ 3 －8e－===5CO2＋2H2O 0.1 解析 燃料电池通 O2 的极为正极，通 CH4 的极为负极，即电极 A 为负极，负极上 CH4 失电子发 生氧化反应，生成 CO2，电极反应式为 CH4＋4CO2－ 3 －8e－===5CO2＋2H2O；若电极 B 附近通入 1 m3 空气(假设空气中 O2 的体积分数为 20%)，则参加反应的 O2 的物质的量为 1 000 L×20%÷22.4 L· mol－1，根据电子守恒可知，消耗 CH4 体积为 1 000 L×20%÷22.4 L·mol－1×4 8 ×22.4 L·mol－1 ＝100 L＝0.1 m3。 (7)[2018·天津，10(3)]CO2 是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。回答下列问题： O2 辅助的 Al—CO2 电池工作原理如图所示。该电池电容量大，能有效利用 CO2，电池反应产 物 Al2(C2O4)3 是重要的化工原料。 电池的负极反应式：_________________________________________________________。 电池的正极反应式：6O2＋6e－===6O－ 2 6CO2＋6O－ 2 ===3C2O2－ 4 ＋6O2 反应过程中 O2 的作用是_____________________________________________________。 该电池的总反应式：________________________________________________________。 答案 Al－3e－===Al3＋(或 2Al－6e－===2Al3＋) 催化剂 2Al＋6CO2===Al2(C2O4)3 解析 Al—CO2 电池中 Al 为负极，反应式为 Al－3e－===Al3＋(或 2Al－6e－===2Al3＋)。 根据电池的正极反应式可知 O2 的作用是作催化剂。 将正、负极两个电极反应式相加，可得电池的总反应式为 2Al＋6CO2===Al2(C2O4)3。