化学反应与能量
一、选择题
1.(2023·广东深圳模拟)我国有着丰富的海风资源,在海水中建立风电设备,防腐蚀是一个突出问题。下列说法正确的是( )
A.钢铁构件表面的镀铜破损后依然会保护内部钢铁不被腐蚀
B.可将钢铁构件与电源负极连接减缓腐蚀发生
C.钢铁发生吸氧腐蚀时负极发生的反应为Fe-3e-Fe3+
D.海水中发生化学腐蚀的速率大于电化学腐蚀的速率
2.(2023·北京朝阳区统考)已知某些化学键的键能如下,下列说法不正确的是( )
化学键 H—H Cl—Cl Br—Br H—Cl H—Br
键能/(kJ·mol-1) 436 243 194 432 a
A.根据键能可估算反应H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)的ΔH=-185 kJ·mol-1
B.根据原子半径可知键长:H—Cl
D.常温下Cl2和Br2的状态不同,与Cl—Cl和Br—Br的键能有关
3.(2023·北京房山区一模)如图是某种培根型碱性氢氧燃料电池示意图,下列有关该电池的说法不正确的是( )
A.电池放电时,K+向镍电极Ⅰ的方向迁移
B.正极电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
C.出口Ⅰ处有水生成
D.循环泵可使电解质溶液不断浓缩、循环
4.(2023·广东三模)如下所示电解装置中,通电后Fe2O3逐渐溶解,装置温度升高,下列判断错误的是 ( )
A.a是电源的负极
B.通电一段时间后,石墨电极Ⅱ附近可能收集到一种能使澄清石灰水变浑浊的气体
C.随着电解的进行,CuCl2溶液的浓度变大
D.当0.01 mol Fe2O3完全溶解时,至少产生气体336 mL(折合成标准状况下)
5.(2023·江西赣州一模)工业上在催化剂的作用下用CO可以合成甲醇,利用计算机模拟单个CO分子合成甲醇的反应历程如图。下列说法正确的是( )
A.反应过程中有极性键的断裂和生成
B.反应的决速步骤为Ⅲ→Ⅳ
C.使用催化剂降低了反应的ΔH
D.反应的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-1.0 eV· mol-1
6.(2023·广东第三次联考)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,可以解决酸雨等环境污染问题,原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.该电池放电时电子流向:Pt1电极→负载→Pt2电极→质子交换膜→Pt1电极
B.Pt1电极附近发生的反应:SO2+2H2O-2e-H2SO4+2H+
C.放电过程中若消耗22.4 L O2(标准状况),理论上可以消除2 mol SO2
D.H+移向Pt1电极,导致Pt1电极附近pH减小
7.(2023·广东茂名二模)一款可充放电固态卤离子穿梭电池工作时原理如图所示,Ⅰ室、Ⅱ室、Ⅲ室均为HGPE凝胶聚合物电解质,下列说法正确的是 ( )
A.放电时,b为正极,发生还原反应
B.放电时,a电极反应为FeOCl+e-FeO+Cl-
C.交换膜1、2分别为氯离子交换膜和阳离子交换膜
D.充电时,每转移1 mol电子,b电极增重35.5 g
8.(2023·广东汕头一模)我国科学家利用Zn-BiOI电池,以ZnI2水溶液作为锌离子电池的介质,可实现快速可逆的协同转化反应。如图所示,放电时该电池总反应为3Zn+6BiOI2Bi+2Bi2O3+3ZnI2。下列说法正确的是( )
A.放电时,BiOI为负极,发生氧化反应
B.放电时,1 mol BiOI参与反应,转移3 mol e-
C.充电时,Zn2+通过阳离子交换膜从Zn极移向BiOI极
D.充电时,阳极发生反应:Bi+Bi2O3+3I--3e-3BiOI
9.(2023·北京房山区一模)锌铁液流电池由于安全、稳定、电解质溶液成本低等优点成为电化学储能热点技术之一,下图是以[Zn(OH)4]2-/Zn和[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-作为电极氧化还原电对的碱性锌铁液流电池放电时的工作原理示意图。
下列说法不正确的是( )
A.放电过程中,左侧池中溶液pH逐渐减小
B.放电过程中,总反应为2[Fe(CN)6]3-+Zn+4OH-[Zn(OH)4]2-+2[Fe(CN)6]4-
C.充电过程中,阴极的电极反应为[Zn(OH)4]2-+2e-Zn+4OH-
D.充电过程中,当2 mol OH-通过聚苯并咪唑膜时,导线中通过1 mol e-
10.(2023·广东深圳模拟)某科研小组利用下图装置完成乙炔转化为乙烯的同时为用电器供电。其中锌板处发生的反应有①Zn-2e-Zn2+;②Zn2++4OH-[Zn(OH)4]2-;③[Zn(OH)4]2-ZnO+2OH-+H2O。下列说法不正确的是( )
A.电极a的电势高于电极b的电势
B.放电过程中正极区KOH溶液的浓度保持不变
C.电极a上发生的电极反应式为C2H2+2H2O+2e-C2H4+2OH-
D.电解足量CuSO4溶液,理论上消耗2.24 L C2H2(标准状况)时,生成6.4 g Cu
11.(2023·湖南岳阳一模)中国科学院于良等科学研究者实现了常温常压下利用铜催化乙炔选择性氢化制乙烯,其反应机理如图所示(其中吸附在铜催化剂表面上的物种用*标注)。
图1
图2
下列说法正确的是( )
A.由图1可知,C2转化为C4H6(g)时,只有σ键的断裂与形成
B.由图2可知,C2H2(g)转化为C4的过程的各步反应均放出热量
C.步骤H2O(g)+C2+e-OH-+C2决定制乙烯的反应速率
D.由于C2转化为C4H6的过程始终在铜催化剂表面上,故乙炔氢化更容易制得C4H6(g)
12.(2023·黑龙江齐齐哈尔一模)以乙烷燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.燃料电池工作时,正极反应为O2+4H++4e-2H2O
B.若a极是铜,b极是铁,电解后溶液中CuSO4浓度减小
C.若a、b两极是石墨,在同温同压下b极产生的气体与电池中消耗乙烷的体积之比为7∶1
D.若a极是纯铜,b极是粗铜,a极上有铜析出,b极逐渐溶解,两极质量变化不相同
二、非选择题
13.(2023·北京顺义区一模)H2O2是重要的化学试剂,在实验室和实际生产中应用广泛。
Ⅰ.蒽醌法是工业上合成H2O2的主要方法,蒽醌法的反应过程如下。
(1)已知:①2H2(g)+O2(g)2H2O(l) ΔH1=-572 kJ·mol-1
②2H2O2(l)2H2O(l)+O2(g) ΔH2=-196 kJ·mol-1
蒽醌法生产H2O2总反应的热化学方程式为H2(g)+O2(g)H2O2(l)的ΔH3= kJ·mol-1。
(2)向反应b后的溶液可以加入蒸馏水为萃取剂,分析蒸馏水能作为萃取剂的原因: 。
Ⅱ.我国科学家设计如图所示的光电催化体系,该体系利用双极膜既能将SO2转化为S所释放的化学能用于驱动阴极H2O2的高效生成,同时还可以实现烟气脱SO2。
(3)阳极的电极反应为 。
(4)理论上每生成1.5 mol H2O2,可以实现烟气脱SO2的物质的量为 mol。
14.(2023·天津河西区一模)我国空间站氧循环系统中涉及电解水,还有碳中和反应CO2(g)+4H2(g)2H2O(g)+CH4(g)。按要求回答下列问题。
(1)电解液态水制备1 mol H2(g)的反应中ΔH=+286 kJ·mol-1。写出表示H2(g)燃烧热的热化学方程式: 。
(2)系统碳中和反应的平衡常数(K)与反应温度(T)之间的关系如图1所示。
图1
①由图1可推知,该反应正反应的ΔH (填“>”或“<”)0;
②若系统碳中和反应为基元反应,且反应的ΔH与活化能(Ea)的关系为|ΔH|>Ea。请在图2中补充完成该反应过程的能量变化示意图。
图2
(3)甲烷燃料电池工作的原理如图所示,甲烷燃料电池采用铂作电极催化剂,电池中的质子交换膜只允许质子(H+)和水分子通过,其工作原理如图3所示:
图3
①Pt(a)电极反应为 ;
电解质溶液中的H+向 (填“a”或“b”)电极移动。
②该电池工作时消耗11.2 L CH4(标准状况下),假设电池的能量转化率为80%,则电路中通过 mol电子。
1.B 铜镀层破损后,Cu、Fe和海水构成原电池,Fe失电子作负极,Fe加速被腐蚀,A错误;将钢铁构件与电源负极连接作阴极,属于外加电流法,可以减缓腐蚀发生,B正确;钢铁发生吸氧腐蚀时负极发生的反应为Fe-2e-Fe2+,C错误;电化学腐蚀的速率大于化学腐蚀的速率,D错误。
2.D 根据反应热ΔH=反应物总键能-生成物总键能,则反应H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)的ΔH=+436 kJ·mol-1+243 kJ·mol-1-2×432 kJ·mol-1=-185 kJ·mol-1,A正确;Cl原子半径小于Br原子,H—Cl的键长比H—Br键长短,H—Cl的键能比H—Br的键能大,进而推测a<432,B正确;键能:Cl—Cl>Br—Br,反应生成HBr比生成HCl更难,放出的热量更少,故生成2 mol HBr(g)时,放出热量小于185 kJ,C正确;常温下物质的状态由分子间作用力决定,D错误。
3.A 氢氧燃料电池中,通入O2的电极是正极,则镍电极Ⅱ为正极。原电池中阳离子向正极移动,则K+向镍电极Ⅱ方向迁移,A错误;镍电极Ⅱ上电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,B正确;镍电极Ⅰ为负极,电极反应为H2-2e-+2OH-2H2O,出口Ⅰ处有水生成,C正确;由图示可知,循环泵可使电解质溶液不断浓缩、循环,D正确。
4.C 根据题图、结合题意知,石墨电极Ⅱ上,H2O发生氧化反应产生O2,故石墨电极Ⅱ是阳极,则b是电源正极,a是电源负极,A项正确;石墨电极Ⅱ上,H2O放电产生O2和H+,发生的电极反应为2H2O-4e-4H++O2↑,石墨电极可能与氧气反应产生二氧化碳,因此,石墨电极Ⅱ附近可能收集到一种能使澄清石灰水变浑浊的气体,B项正确;电解时,Cu2+在石墨电极Ⅰ上放电,生成Cu,左室中Cl-通过阴离子交换膜进入中间室,故CuCl2溶液的浓度减小,C项错误;由Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O和阳极反应式可得关系式:Fe2O3~O2,故产生O2的体积为×0.01 mol×22.4 L·mol-1=0.336 L=336 mL,D项正确。
5.A 由图可知,总反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),则涉及CO中化学键的断裂和C—H、O—H的生成,A正确;活化能越大反应越慢,据图可知反应的决速步骤为Ⅱ→Ⅲ,B错误;催化剂能改变反应速率,但是不能改变反应的焓变,C错误;生成物的能量低于反应物的能量,该反应为放热反应,单个CO分子合成甲醇放热1.0 eV,则反应的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-NA eV· mol-1(设NA为阿伏加德罗常数的值),D错误。
6.C 由图可知,氧气得到电子发生还原反应,故Pt2电极为正极;Pt1电极为负极,二氧化硫失去电子发生氧化反应生成硫酸。电子不能进入内电路,A错误;由分析可知,Pt1电极为负极,其电极反应为SO2+2H2O-2e-S+4H+,B错误;根据转移电子守恒可得关系式:O2~4e-~2SO2,放电过程中若消耗22.4 L O2(标准状况),理论上可以消除2 mol SO2,C正确;原电池中阳离子向正极移动,故H+移向Pt2电极,D错误。
7.B 如题图所示,Ⅲ室中b极为锂电极,放电时作负极,发生电极反应:Li-e-+Cl-LiCl,Cl-通过交换膜2移向Ⅲ室,交换膜2为氯离子交换膜;a极为放电时的正极,发生电极反应:FeOCl+e-FeO+Cl-,Cl-通过交换膜1移向Ⅱ室,交换膜1为氯离子交换膜。由上述分析可知,A错误、B正确;交换膜1、2均为氯离子交换膜,C错误;充电时,b极发生电极反应:LiCl+e-Li+Cl-,LiCl→Li,质量减少,每转移1 mol电子,b电极减少35.5 g,D错误。
8.D 由总反应可知,放电时Zn为负极,发生氧化反应,A错误;由电池总反应可知,6 mol BiOI反应时生成2 mol Bi,共转移6 mol电子,则1 mol BiOI参与反应时转移1 mol e-,B错误;充电时,Zn电极作阴极,BiOI极作阳极,溶液中阳离子向阴极移动,则Zn2+通过阳离子交换膜从BiOI极移向Zn极,C错误;充电时的总反应为2Bi+2Bi2O3+3ZnI23Zn+6BiOI,阳极反应为Bi+Bi2O3+3I--3e-3BiOI,D正确。
9.D 由图可知,Zn失去电子生成[Zn(OH)4]2-,则Zn极为负极,电极反应为Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-,则左侧池中OH-通过聚苯并咪唑膜进入右侧池,左侧池中OH-浓度降低,溶液酸性增强,pH逐渐减小,A正确;正极反应为[Fe(CN)6]3-+e-[Fe(CN)6]4-,综合负极反应可得,总反应为2[Fe(CN)6]3-+Zn+4OH-[Zn(OH)4]2-+2[Fe(CN)6]4-,B正确;充电过程中,阴极[Zn(OH)4]2-转化为Zn,电极反应为[Zn(OH)4]2-+2e-Zn+4OH-,C正确;充电过程中,当2 mol OH-通过聚苯并咪唑膜时,导线中通过2 mol e-,D错误。
10.B 由图可知锌板为负极,所以电极a的电势高于电极b的电势,A正确;放电过程中正极区消耗水,导致KOH溶液浓度增大,B错误;电极a上发生的电极反应式为C2H2+2H2O+2e-C2H4+2OH-,C正确;电解硫酸铜时,生成铜的电极反应为Cu2++2e-Cu,由此可得关系式:C2H2~2e-~Cu,理论上消耗2.24 L C2H2(标准状况),可生成6.4 g铜,D正确。
11.C 双键由一个σ键和一个π键构成,C2转化为C4H6(g)时,存在双键的断裂和单键的生成,故既有π键的断裂,又有σ键的形成,A错误;由图2可知,C2H2(g)转化为C4的过程中最后一步反应为吸热反应,B错误;(制乙烯过程中)步骤H2O(g)+C2+e-OH-+C2的活化能较高,反应速率较慢,故该步骤决定制乙烯的反应速率,C正确;C2转化为C4的过程始终在铜催化剂表面上,C4H6的生成不是在催化剂表面进行的,D错误。
12.C 根据图示知,乙烷燃料电池中左侧电极为正极,右侧电极为负极,则a极为电解池的阴极,b极为电解池的阳极。该燃料电池工作时,负极产物为CO2,电解质溶液呈酸性,正极反应为O2+4H++4e-2H2O,A正确;若a极是铜,b极是铁,电解总反应为Fe+CuSO4FeSO4+Cu,则硫酸铜溶液浓度减小,B正确;若a、b两极是石墨,b极电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,原电池中乙烷发生的反应为C2H6+4H2O-14e-2CO2+14H+,根据串联电路中各电极转移电子守恒可知,b极生成氧气和电池中消耗乙烷的体积之比为7∶2,C错误;若a极是纯铜,b极是粗铜,题给装置为铜的电解精炼,a极上有铜析出,b极逐渐溶解,b极粗铜中比铜活泼的金属优先失电子,则两极质量变化不相同,D正确。
13.答案 (1)-188
(2)为有机化合物,与水不互溶,而H2O2易溶于水
(3)4OH-+SO2-2e-S+2H2O
(4)1.5
解析 (1)根据盖斯定律,由①×-②×可得反应H2(g)+O2(g)H2O2(l),则该反应的ΔH3=(-572 kJ· mol-1)×-(-196 kJ· mol-1)×=-188 kJ· mol-1。
(4)右侧电极反应为O2+2H++2e-H2O2,理论上生成1.5 mol H2O2时转移3 mol电子;根据得失电子守恒可知,转移3 mol电子时,可实现烟气脱SO2的物质的量为1.5 mol。
14.答案 (1)H2(g)+O2(g)H2O(l) ΔH=-286 kJ·mol-1
(2)①<
②
(3)①CH4+2H2O-8e-CO2+8H+ b ②3.2
解析 (1)由题意可知,1 mol H2(g)完全燃烧生成液态水放出的热量为286 kJ,则表示H2(g)燃烧热的热化学方程式为H2(g)+O2(g)H2O(l) ΔH=-286 kJ·mol-1。
(2)①由反应CO2(g)+4H2(g)2H2O(g)+CH4(g)的平衡常数(K)与反应温度(T)之间的关系图可知,K随着温度升高而减小,故升高温度时平衡逆向移动,正反应为放热反应;②若反应为基元反应,则反应为一步完成,由于反应的ΔH与活化能(Ea)的关系为|ΔH|>Ea,由图2信息可知Ea=a kJ·mol-1,则|ΔH|>a kJ·mol-1,该反应为放热反应,生成物的总能量小于反应物的总能量,据此可画出该反应过程的能量变化示意图。
(3)①该燃料电池中,通入燃料的a电极为负极,通入空气(O2)的b电极为正极,负极上甲烷失电子,电解质溶液为酸性,则电极反应为CH4+2H2O-8e-CO2+8H+。a电极为负极,b电极为正极,电解质溶液中的H+向b电极移动。②电池工作时消耗11.2 L CH4(标准状况下),则参加反应的CH4的物质的量为0.5 mol,根据电极反应CH4+2H2O-8e-CO2+8H+可知,理论上转移电子的物质的量为0.5 mol×8=4 mol,电池的能量转化率为80%,则电路中通过电子的物质的量为4 mol×80%=3.2 mol
