化学化学反应与能量变化的专项培优练习题及详细答案.docx
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化学化学反应与能量变化的专项培优练习题及详细答案
化学化学反应与能量变化的专项培优练习题及详细答案
一、化学反应与能量变化练习题(含详细答案解析)
1.X、Y、Z、W、Q是原子序数依次增大的短周期主族元素,X与Y位于不同周期,X与W位于同一主族;原子最外层电子数之比N(Y):
N(Q)=3:
4;Z的原子序数等于Y、W、Q三种元素原子的最外层电子数之和。
请回答下列问题:
(1)Y元素在周期表中的位置是______________;QX4的电子式为_____________。
(2)一种名为“PowerTrekk”的新型充电器是以化合物W2Q和X2Z为原料设计的,这两种化合物相遇会反应生成W2QZ3和气体X2,利用气体X2组成原电池提供能量。
①写出W2Q和X2Z反应的化学方程式:
______________。
②以稀硫酸为电解质溶液,向两极分别通入气体X2和Z2可形成原电池,其中通入气体X2的一极是_______(填“正极”或“负极”)。
③若外电路有3mol电子转移,则理论上需要W2Q的质量为_________。
【答案】第二周期第ⅢA族
负极37g
【解析】
【分析】
原子最外层电子数之比N(Y):
N(Q)=3:
4,因为都为主族元素,最外层电子数小于8,所以Y的最外层为3个电子,Q的最外层为4个电子,则Y为硼元素,Q为硅元素,则X为氢元素,W与氢同主族,为钠元素,Z的原子序数等于Y、W、Q三种元素原子的最外层电子数之和,为氧元素。
即元素分别为氢、硼、氧、钠、硅。
【详解】
(1)根据分析,Y为硼元素,位置为第二周期第ⅢA族;QX4为四氢化硅,电子式为
;
(2)①根据元素分析,该反应方程式为
;
②以稀硫酸为电解质溶液,向两极分别通入气体氢气和氧气可形成原电池,其中通入气体氢气的一极是负极,失去电子;
③外电路有3mol电子转移时,需要消耗1.5mol氢气,则根据方程式分析,需要0.5mol硅化钠,质量为37g。
2.如图是常见原电池装置,电流表A发生偏转。
(1)若两个电极分别是铁、铜,电解质溶液是浓硝酸,Cu极发生反应_______(填“氧化”或“还原”),其电极反应式为________________;
(2)若两个电极分别是镁、铝,电解质溶液是氢氧化钠溶液,Al电极是_____极(填“正”或“负”),其电极反应式为_________________________________。
(3)若原电池的总反应是2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2,则可以作负极材料的是_______,正极电极反应式为_________________________。
【答案】氧化Cu-2e-=Cu2+负Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2OCu(或铜)Fe3++e-=Fe2+
【解析】
【分析】
【详解】
(1)虽然铁比铜活泼,但是铁在浓硝酸中发生钝化,所以该原电池中铜被氧化,即铜电极为负极,失电子发生氧化反应,电极方程式为Cu-2e-=Cu2+;
(2)镁虽然比铝活泼,但镁不与氢氧化钠溶液发生反应,所以该原电池中Al被氧化,即Al为负极,失电子发生氧化反应,电极方程式为:
Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O;
(3)根据总反应2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2可知Cu被氧化,Fe3+被还原,原电池中负极发生氧化反应,所以负极材料为Cu;正极发生还原反应,电极方程式为Fe3++e-=Fe2+。
【点睛】
第1小题为易错点,虽然铁和铜都能被浓硝酸氧化,但要注意铁在浓硝酸中发生钝化,所以该原电池中铜为负极。
3.电化学在化学工业中有着广泛应用。
根据图示电化学装置,
(1)甲池通入乙烷(C2H6)一极的电极反应式为___。
(2)乙池中,若X、Y都是石墨,A是Na2SO4溶液,实验开始时,同时在两极附近溶液中各滴入几滴酚酞溶液,X极的电极反应式为___;一段时间后,在Y极附近观察到的现象是___。
(3)工业上通过电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4,其工作原理如图所示,则阳极的电极反应式为__,阴极反应式为___。
【答案】C2H6+18OH--14e-=12H2O+2CO32-4OH--4e-=O2↑+2H2O电极表面产生气泡,附近溶液显红色Fe+8OH--6e-=FeO42-+4H2O2H2O+2e-=H2↑+2OH-
【解析】
【分析】
甲池为乙烷燃料电池,所以反应过程中乙烷被氧化,则通入乙烷的一极应为负极,通入氧气的一极为正极;乙池为电解池,X与电池正极相连为阳极,Y与负极相连为阴极。
【详解】
(1)通入乙烷的一极为负极,乙烷被氧化,由于电解质溶液KOH,所以生成碳酸根和水,电极方程式为:
C2H6+18OH--14e-=12H2O+2CO32-;
(2)X为阳极,硫酸钠溶液中水电离出的OH-在阳极放电生成氧气,电极方程式为:
4OH--4e-=O2↑+2H2O;Y电极为阴极,水电离出的氢离子在阴极放电生成氢气,水的电离受到促进电离出更多的氢氧根,Y电极附近显碱性,电极附近滴有酚酞,所以可以观察到Y电极附近有气泡产生且溶液显红色;
(3)阳极是铁,故阳极上铁放电生成FeO42-,由于是碱性环境,故电极方程式为:
Fe+8OH--6e-=FeO42-+4H2O;电解时,水电离的H+在阴极放电生成氢气,电极方程式为:
2H2O+2e-=H2↑+2OH-。
【点睛】
陌生电极反应式的书写步骤:
①根据题干找出反应物以及部分生成物,根据物质变化分析化合价变化并据此写出得失电子数;②根据电荷守恒配平电极反应式,在配平时需注意题干中电解质的环境;③检查电极反应式的守恒关系(电荷守恒、原子守恒、转移电子守恒等)。
4.硫化氢(H2S)是一种有毒的可燃性气体,用H2S、空气和KOH溶液可以组成燃料电池,其电池总反应为2H2S+3O2+4KOH=2K2SO3+4H2O。
(1)该电池工作时正极应通入___。
(2)该电池负极的电极反应式为___。
(3)该电池工作一段时间后负极区溶液的pH__(填“升高”“不变”或“降低”)。
【答案】O2H2S+8OH--6e-=SO32-+5H2O降低
【解析】
【分析】
【详解】
(1)由电池总反应可知,反应中硫元素的化合价升高,发生氧化反应,氧气中氧的化合价降低,发生还原反应,则通入硫化氢的电极为负极,通入氧气的电极为正极。
答案为:
O2。
(2)碱性溶液中正极的电极反应式为:
O2+2H2O+4e-=4OH-,总反应减去正极反应得到负极反应式为:
H2S+8OH--6e-=SO32-+5H2O。
答案为:
H2S+8OH--6e-=SO32-+5H2O。
(3)由负极反应式可知,负极反应消耗OH-,同时生成水,则负极区溶液中c(OH-)减小,pH降低。
答案为:
降低。
【点睛】
电池反应中有氧气参加,氧气在反应中得到电子发生还原反应,根据原电池原理,负极发生氧化,正极发生还原,所以通入氧气的电极为电池的正极,酸性条件下的反应:
O2+4H++4e-=2H2O,碱性条件下的反应:
O2+2H2O+4e-=4OH-。
5.
(1)二氧化硫一空气质子交换膜燃料电池可以利用大气所含SO2快速启动,其装置示意图如图:
①质子的流动方向为________________(“从A到B”或“从B到A”)。
②负极的电极反应式为________________。
(2)工业上吸收和转化SO2的电解装置示意图如下(A.B均为惰性电极):
①B极接电源的________________极(“负”或“正”)。
②A极的电极反应式是_________________。
【答案】从A到BSO2-2e-+2H2O=SO42-+4H+正2SO32-+4H++2e-=S2O42-+2H2O
【解析】
【详解】
(1)①二氧化硫发生氧化反应,氧气发生还原反应,所以二氧化硫所在电极为负极,氧气所在电极为正极,原电池中阳离子移向正极,所以质子移动方向为:
从A到B;
②二氧化硫在负极失去电子发生氧化反应,电极反应式为:
SO2-2e-+2H2O═SO42-+4H+;
(2)①依据图示可知,二氧化硫被氧化为硫酸根,所以二氧化硫所在的区为阳极区,阳极与电源的正极相连,即B极接电源的正极;
②A为阴极,得电子发生还原反应由SO32-生成S2O42-,电极反应式为2SO32-+4H++2e-=S2O42-+2H2O。
6.乙醇(C2H5OH)燃料电池(DEFC)具有很多优点,引起了人们的研究兴趣。
现有以下三种乙醇燃料电池。
(1)三种乙醇燃料电池中正极反应物均为_________________。
(填化学式)
(2)熔融盐乙醇燃料电池中若选择熔融碳酸钾为介质,电池工作时,CO32-向电极___(填“a”或“b”)移动。
(3)酸性乙醇燃料电池中,若电池消耗标准状况下2.24LO2,则电路中通过了的电子数目为___________。
【答案】O2a0.4NA
【解析】
【分析】
(1)燃料电池中,负极通入燃料,正极通入氧化剂;
(2)根据装置图可知,a为负极,原电池中阴离子由正极向负极移动;
(3)酸性乙醇燃料电池中,电极b上发生的电极反应为:
3O2+12H++12e-=6H2O,根据电极反应计算转移的电子的数目。
【详解】
(1)燃料电池中,负极通入燃料,正极通入氧化剂,由装置图可知,三种乙醇燃料电池中正极反应物均为O2;
(2)根据装置图可知,a为负极,原电池中阴离子由正极向负极移动,因此CO32-向电极a移动;
(3)酸性乙醇燃料电池中,电极b上发生的电极反应为:
3O2+12H++12e-=6H2O,若电池消耗标准状况下2.24L(即0.1mol)O2时,电子转移0.4mol,转移电子的数目为0.4NA。
7.A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸。
(1)A中反应的离子方程式为_________________________________。
(2)B中Fe极为_______极,电极反应式为_______________________。
C中Fe极为_______极,电极反应式为__________________________,电子从_______极流出(填“Zn”或“Fe”)。
(3)比较A、B、C中铁被腐蚀的速率,由快到慢的顺序是___________________。
【答案】Fe+2H+=Fe2+H2↑负极Fe-2e-=Fe2+正极2H++2e-=H2↑ZnB>A>C
【解析】
【分析】
已知金属活动性:
Zn>Fe>Sn,则A发生化学腐蚀,铁与硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气,B中Fe为负极,Sn为正极,Fe被腐蚀,C中Zn为负极,Fe为正极,Fe被保护,以此解答。
【详解】
(1)铁与硫酸反应的离子方程式为:
Fe+2H+=Fe2++H2↑;
(2)Fe比Sn活泼,则B中Fe为负极,Sn为正极,负极发生Fe-2e-=Fe2+;Zn比Fe活泼,则C中Fe为正极,Zn为负极,正极反应式为2H++2e-=H2↑,电子从负极即Zn极流出;
(3)A发生化学腐蚀;B中Fe为负极,Sn为正极,Fe被腐蚀;C中Zn为负极,Fe为正极,Fe被保护,Zn被腐蚀,则A、B、C中铁被腐蚀的速率,由快到慢的顺序是B>A>C,。
8.
(1)用惰性电极电解下列溶液,写出电极反应式和总反应式以及溶液复原需加入的物质
①NaCl溶液
阴极:
_________;阳极:
_________;总反应式:
_______________;溶液复原需加入的物质____________。
②CuSO4溶液
阴极:
_________;阳极:
______;总反应式:
____________________________;溶液复原需加入的物质____________。
(2)写出下列原电池电极反应式和总反应式
①氢氧燃料电池(电解质是KOH溶液)
负极反应:
______________________;
正极反应:
__________________;
总反应:
_____________。
②甲烷燃料电池。
碱性介质(如KOH)
负极:
____________;
正极:
______________;
总反应式:
_________。
【答案】2H++2e-=H2↑2Cl--2e-=Cl2↑2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑通HCl气体2Cu2++4e-=2Cu4OH--4e-=2H2O+O2↑2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑加CuO或CuCO3固体2H2-4e-+4OH-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-2H2+O2=2H2OCH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O2O2+8e-+4H2O=8OH-CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
【解析】
【详解】
(1)①用惰性电极电解NaCl溶液时,阳极上氯离子放电生成氯气,阴极上氢离子放电生成氢气,所以阴极、阳极、电池反应式分别为2H++2e-=H2↑、2Cl--2e-=Cl2↑、2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,溶液复原需加入的物质是通HCl气体;
②用惰性电极电解CuSO4溶液时,阳极上氢氧根离子放电生成氧气,阴极上铜离子放电生成铜单质,所以阴极、阳极、电池反应式分别为2Cu2++4e-=2Cu、4OH--4e-=2H2O+O2↑、2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,溶液复原需加入的物质是加CuO或CuCO3固体;
(2)①氢氧燃料电池(电解质是KOH溶液)工作时,氢气失电子是还原剂,发生氧化反应;氧气得电子是氧化剂,发生还原反应。
负极上氢气失电子在碱性条件下生成水,发生的电极反应为:
2H2-4e-+4OH-=4H2O;
正极是O2得到电子生成水,发生的电极反应式为:
O2+2H2O+4e-=4OH-;
电极的总反应式为2H2+O2=2H2O;
②甲烷燃料电池。
碱性介质(如KOH)工作时,负极上甲烷失电子在碱性条件下生成碳酸盐和水,反应的电极方程式为:
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O;
正极上氧气得电子产生氢氧根离子,反应的电极方程式为:
2O2+8e-+4H2O=8OH-;
电极总反应式为:
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。
9.我国古代青铜器工艺精湛,有很高的艺术价值和历史价值,但出土的青铜器因受到环境腐蚀,欲对其进行修复和防护具有重要意义。
图为青铜器在潮湿环境中发生的电化学腐蚀的示意图。
①腐蚀过程中,负极是_____(填图中字母“a”或“b”或“c”)
②环境中的Clˉ̄扩散到孔口,并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔铜锈Cu2(OH)3Cl,其离子方程式为_____;
③若生成4.29gCu2(OH)3Cl,则理论上耗氧体积为_____L(标准状况)。
【答案】c2Cu2++3OH-+Cl-=Cu2(OH)3Cl↓0.448
【解析】
【分析】
【详解】
①根据图示,该装置为原电池,Cu作负极失去电子,发生氧化反应,元素的化合价升高,根据图示可知腐蚀过程中,负极是c,正极是b,a为腐蚀之后生成的产物;
②环境中的氯离子扩散到孔口,负极上Cu失去电子变为Cu2+,正极上O2得到电子变为OH-,并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔铜锈Cu2(OH)3Cl,离子方程式为2Cu2++3OH-+Cl-=Cu2(OH)3Cl↓;
③4.29gCu2(OH)3Cl的物质的量n[Cu2(OH)3Cl]=
=0.02mol,每反应产生1molCu2(OH)3Cl转移4mol电子,根据同一闭合回路中电子转移数目相等,n(O2)=n[Cu2(OH)3Cl]=0.02mol,所以理论上耗氧体积V(O2)=0.02mol×22.4L/mol=0.448L。
【点睛】
本题考查了原电池原理、物质性质及转移电子守恒,注意同一闭合回路中电子转移数目相等进行解答。
10.Ⅰ.铁及铁的化合物应用广泛,如FeCl3可用作印刷电路铜版腐蚀剂和外伤止血剂等。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路板的离子方程式_________________。
(2)若将
(1)中的反应设计成原电池,请在方框内画出原电池的装置图,标出正、负极,并写出电极反应式。
________
负极反应:
_________________;正极反应:
_________________.
Ⅱ.写出甲烷燃料电池在酸性溶液中的电极反应和总电池反应:
正极:
________________________________________________;
负极:
_________________________________________________;
总反应:
_______________________________________________。
【答案】2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+
Cu-2e-==Cu2+2Fe3++2e-==2Fe2+2O2+8e-+8H+==4H2OCH4-8e-+2H2O==CO2+8H+CH4+2O2==CO2+2H2O
【解析】
【分析】
Ⅰ.
(1)FeCl3溶液腐蚀印刷电路板时,Fe3+将Cu氧化生成Fe2+和Cu2+。
(2)若将
(1)中的反应设计成原电池,则需用Cu、C(或Ag、Au、Pt等)作电极,FeCl3溶液作电解质。
负极为Cu失电子生成Cu2+;正极为Fe3+得电子生成Fe2+。
Ⅱ.正极:
O2在酸性溶液中得电子,生成水;
负极:
CH4在酸性溶液中失电子生成CO2等;
总反应:
甲烷燃烧生成二氧化碳和水。
【详解】
Ⅰ.
(1)FeCl3溶液腐蚀印刷电路板时,Fe3+将Cu氧化生成Fe2+和Cu2+,离子方程式为2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+。
答案为:
2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+;
(2)若将
(1)中的反应设计成原电池,则需用Cu、C(或Ag、Au、Pt等)作电极,FeCl3溶液作电解质。
负极反应:
Cu-2e-==Cu2+;正极反应:
2Fe3++2e-==2Fe2+。
答案为:
Cu-2e-==Cu2+;2Fe3++2e-==2Fe2+;
Ⅱ.正极:
O2在酸性溶液中得电子生成水,电极反应为2O2+8e-+8H+==4H2O;
负极:
CH4在酸性溶液中失电子生成CO2等,电极反应为CH4-8e-+2H2O==CO2+8H+
;总反应:
甲烷燃烧生成二氧化碳和水,总反应式为CH4+2O2==CO2+2H2O。
答案为:
2O2+8e-+8H+==4H2O;CH4-8e-+2H2O==CO2+8H+;CH4+2O2==CO2+2H2O。
【点睛】
设计原电池时,应从电池反应出发,电池反应中失电子的物质即为负极材料,得电子的物质为电解质中的某成分,从电池反应中不能得出正极材料,但此材料必须导电,且还原性弱于负极材料。
11.I已知下列热化学方程式:
①H2(g)+
O2(g)═H2O(l);△H=-285.8kJ•mol-1
②H2(g)+
O2(g)═H2O(g);△H=-241.8kJ•mol-1
③CO(g)═C(s)+
O2(g);△H=+110.5kJ•mol-1
④C(s)+O2(g)═CO2(g);△H=-393.5kJ•mol-1
回答下列问题:
(1)上述反应中属于放热反应的是_________________
(2)H2的燃烧热△H=___________________
(3)燃烧10gH2生成液态水,放出的热量为________________
(4)表示CO燃烧热的热化学方程式为.________________
II已知:
(1)P4(s,白磷)+5O2(g)==P4O10(s)△H1=-2983.2kJ/mol
(2)P(s,红磷)+
O2(g)=
P4O10(s)△H1=-738.5kJ/mol,则白磷转化为红磷的热化学方程式_________________。
相同的状况下,能量较低的是_________________;白磷的稳定性比红磷_________________(填“高”或“低”)
【答案】①②④-285.8kJ•mol-11429KJC(s)+O2(g)═CO2(g);△H=-393.5kJ•mol-1P4(s,白磷)=4P(s,红磷)△H=-29.2kJ/mol红磷低
【解析】
【分析】
I
(1)根据热化学方程式中△H的符号判断;
(2)燃烧热是1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物时放出的热量;
(3)根据物质的量之比等于热量比求算;
(4)结合盖斯定律计算得到,燃烧热是1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物时放出的热量;
II根据盖斯定律进行求算;物质的能量越低越稳定。
【详解】
I
(1)由已知热化学方程式中△H的符号可知,四个反应的△H①②④均为负值,即都是放热反应;③的为正值,即为吸热反应;
故答案为:
①②④;
(2)H2(g)+
O2(g)═H2O(l);△H=-285.8kJ•mol-1,依据燃烧热概念可知H2的燃烧热△H=-285.8kJ•mol-1;
(3)H2(g)+
O2(g)═H2O(l);△H=-285.8kJ•mol-1,燃烧10gH2的物质的量为5mol,则燃烧10gH2生成液态水,放出的热量为285.8
5=1429.0kJ;
(4)③CO(g)═C(s)+
O2(g);△H=+110.5kJ•mol-1
④C(s)+O2(g)═CO2(g);△H=-393.5kJ•mol-1
依据盖斯定律④+③得到CO(g)+
O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ/mol;CO燃烧热的热化学方程式为CO(g)+
O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ/mol;
II红磷转化为白磷的化学方程式为:
4P(s、红磷)=P4(s、白磷),可以看成是下列两个反应方程式的和:
(1)P4O10(s)=P4(s、白磷)+5O2(g);△H=2983.2kJ/mol;
(2)4P(s、红磷)+5O2(g)=P4O10(s);△H=-738.5×4kJ/mol=-2954kJ/mol;
根据盖斯定律,红磷转化为白磷4P(s、红磷)=P4(s、白磷)的△H=2983.2kJ/mol-2954kJ/mol=+29.2kJ/mol;
故答案为:
4P(s、红磷)=P4(s、白磷)△H=+29.2kJ/mol;
相同的状况下,能量较低的是红磷;能量越低越稳定,则白磷的稳定性比红磷低。
12.氢气是一种理想的绿色能源。
在101kP下,1g氢气完全燃烧生成液态水放出142.9kJ的热量,请回答下列问题:
(1)该反应物的总能量___生成物的总能量(填“大于”“等于”或“小于”)。
(2)氢气的燃烧热为___。
(3)该反应的热化学方程式为___。
(4)氢能的存储是氢能利用的前提,科学家研究出一种储氢合金Mg2Ni,已知:
Mg(s)+H2(g)=MgH2(s)ΔH1=-74.5kJ·mol-1
Mg2Ni(s)+2H2(g)=Mg2NiH4(s)ΔH2
Mg2Ni(s)+2MgH2(s)=2Mg(s)+Mg2NiH4(s)ΔH3=+84.6kJ·mol-1
则ΔH2=___kJ·mol-1
【答案】大于285.8kJ•mol-12H2(g)+O2(g)=2H2O(l)△H=-571.6kJ•mol-1
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