第四章 化学反应与电能 学业练习 高中化学人教版（2019）选择性必修1

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第四章 化学反应与电能 学业练习
一、单选题
1．2021年5月15日，我国火星探测器“天问一号”成功着陆火星。据介绍，该火星车除装有光电转换效率较高的4块太阳电池板外，在其顶部还装有一个像双筒望远镜样子的设备，叫作集热窗，它可以直接吸收太阳能，然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天，火星温度升高，这种物质吸热融化，到了晚上温度下降，这种物质在凝固的过程中释放热能。从上述资料中不能直接得出的结论是（　　）
A．“4块太阳电池板”可将光能转换成电能
B．“集热窗”可将光能转化成化学能储存在化学物质中
C．物质的融化和凝固伴随着能量的变化
D．“天问一号”的动力来源主要是太阳能和氢氧燃料电池
2．我国《政府工作报告》首次写入“推动充电、加氢等设施的建设”。如图是一种新型“全氢电池”，能量效率可达。下列说法错误的是 （　　）

A．该装置将化学能转化为电能
B．离子交换膜不允许和通过
C．吸附层为负极，电极反应式为
D．电池总反应为
3．据报道，某公司研制了一种有甲醇和氧气，以及强碱作电解质的手机电池，电量可达到镍氢电池的10倍，有关此电池的叙述错误的是（　　）
A．溶液中的阳离子移向正极
B．负极反应式：CH3OH + 8OH- -6e- = CO32-+6H2O
C．电池在使用过程中，电解质溶液的c（OH-）不变
D．当外电路通过6 mol电子时，理论上消耗1.5 mol O2
4．下列关于如图所示原电池装置的叙述中，正确的是（）

A．铜片是负极 B．铜片质量逐渐减少
C．电流从锌片经导线流向铜片 D．氢离子在铜片表面被还原
5．下列有关电池的叙述正确的是（　　）
A．华为 Mate 系列手机采用的超大容量高密度电池是一种一次电池
B．原电池中的电极一定要由两种不同的金属组成
C．原电池中发生氧化反应的电极是负极
D．太阳能电池主要材料为二氧化硅
6．高中化学《化学反应原理》选修模块从不同的视角对化学反应进行了探究、分析。以下观点错误的是（　　）
①放热反应在常温下均能自发进行；
②电解过程中，化学能转化为电能而“储存”起来；
③原电池工作时所发生的反应一定有氧化还原反应；
④加热时，化学反应只向吸热反应方向进行；
⑤盐类均能发生水解反应；
⑥化学平衡常数的表达式与化学反应方程式的书写无关
A．①②④⑤ B．①③⑤⑥ C．②③⑤⑥ D．①②④⑤⑥
7．熔融碳酸盐燃料电池中，以一定比例和低熔混合物为电解质，操作温度为，在此温度下以镍为催化剂，以煤气(、的体积比为)直接作燃料，其工作原理如图所示。下列说法错误的是（　　）

A．极为电池的负极，发生氧化反应
B．电池总反应方程式为
C．极发生的电极反应为
D．若以此电源电解足量的溶液，阳极产生气体，则阴极产物的质量为
8．研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是（　　）

A．d为石墨，铁片腐蚀加快
B．d为石墨，石墨上电极反应为O2+2H2O+4e－=4OH－
C．d为锌块，铁片不易被腐蚀
D．d为锌块，铁片上电极反应为2H++2e－=H2↑
9．将如图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是（　　）

A．b电极上发生还原反应 B．片刻后甲池中c（Cl-）增大
C．电子沿Zn→a→b→Cu路径流动 D．片刻后可观察到滤纸b点变红色
10．将、设计成熔融固态氧化物燃料电池，总反应方程式为，该装置如图所示。下列关于该装置工作时的叙述正确的是（　　）

A．电极X为正极，发生氧化反应
B．电池工作时，氧离子从Y极向X极移动
C．Y极的电极反应式：
D．若11.2L参与反应，则通过外电路电子的物质的量是2mol
11．Li可与S8发生系列反应：S8+2Li=Li2S8，3Li2S8+Li=4Li2S6，Li2S6+2Li=3Li2S4，Li2S4+2Li=2Li2S2，Li2S2+2Li=2Li2S。科学家据此设计某锂硫电池，示意图如图。放电时，炭/硫复合电极处生成Li2Sx(x=1、2、4、6或8)。下列说法正确的是

A．该电池中的电解质溶液可以用水溶液
B．放电时，电子由炭/硫复合电极经用电器流向Li电极
C．放电时，生成的S(x≠1)若穿过聚合物隔膜到达Li电极表面，不会与Li直接发生反应
D．放电时，当0.01molS8全部转化为Li2S2时，理论上消耗0.56gLi
12．某柔性屏手机的柔性电池以碳纳米管做电极材料，以吸收ZnSO4溶液的有机高聚物做固态电解质，其电池总反应为MnO2+ Zn+(1+ )H2O+ ZnSO4 MnOOH+ ZnSO4[Zn(OH)2]3·xH2O。其电池结构如图所示。下列说法中错误的是（　　）

A．放电时，锌电极发生氧化反应
B．充电时，Zn2+移向Zn膜
C．放电时，电池的正极反应为：MnO2+e- + H2O= MnOOH+OH-
D．吸收ZnSO4溶液的有机高聚物层不可让电流通过，以防短路
13．电化学法处理是目前研究的热点。利用双氧水氧化吸收可消除污染，并制备硫酸。设计装置如图所示(已知电极为石墨电极只起导电作用，质子交换膜只允许通过)。下列叙述中错误的是（　　）

A．通入的一极为电池负极
B．导线上箭头方向表示电流方向
C．B池中的反应为
D．若 (标准状况) 参与反应，则A池中增加
14．一种微生物电池处理含废水的装置如题图所示。下列说法正确的是（　　）

A．放电时，电极A附近溶液pH升高
B．放电时，电子由电极B经负载流向电极A
C．放电时，电极B反应为
D．每生成22.4L，转移电子的物质的量为4mol
二、综合题
15．化学反应与能量变化是化学家研究的永恒话题。
（1）据报道，有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来石油”的观点。
①硅光电池作为电源已广泛应用于人造卫星、灯塔和无人气象站等，硅光电池是一种把　 　能转化为　 　能的装置。
②工业制备纯硅的反应： ，生成的 通入 的 溶液恰好反应，则制备纯硅的过程中　 　(填“吸收或“释放”)的热量为　 　 。
（2）氢气是一种理想的绿色能源.请回答下列问题
①在 下， 氢气完全燃烧生成液态水放出 的热量。写出表示氢气燃烧热的热化学方程式　 　。
②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 ，已知：

；

则 　 　 。
（3）化学能与电能的相互转换有着重要的用途。如图是一个化学过程的示意图.请回答下列问题。

①乙池是　 　装置(填“原电池”或“电解池”)，A电极的名称是　 　；B(石墨)电极的电极反应式为：　 　。
②甲池中通入 一极的电极反应式为：　 　。
③反应一段时间后，要使乙池反应后的溶液恢复到原来的状态，则需加入　 　(填化学式)。
④研究证实，甲醇可由 在酸性水溶液中通过电解生成，则生成甲醇的电极反应式是：　 　。
16．H2S有剧毒，在空气中可以燃烧。以硫化氢、氧气为原料，可以设计一种燃料电池。
回答下列问题：
（1）H2S在空气中充分燃烧，能量变化过程如图所示：

①反应过程中反应物的总能量　 　 (填“>”“＜”或“=”)生成物的总能量。
②H2S完全燃烧的化学方程式为　 　 。
（2）以 H2S、O2 为原料的碱性燃料电池装置的示意图如图，该装置工作时总反应离子方程式为2H2S+3O2+4OH- = 2SO32-+4H2O。

①该装置将　 　 能转化为 　 　能。
②已知正极反应式 O2+2H2O+4e- =4OH- ，则负极反应式为 　 　 ，右室电解质溶液的pH 　 　(填“变大”“减小”或“不变”)。
17．
（1）高温时，2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)，因此氨气与氧气反应难以生成 NO2。根据下列数据计算，当 4 mol NO2分解时，反应会　 　(填“吸收”或“放出”)　 　kJ 能量。
NO2(g) N(g)+2O(g)
NO(g) N(g)+O(g)
O2(g) 2O(g)
（2）在恒容绝热容器内发生反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)，下列能说明已达平衡的是　 　。
a．单位时间内，每生成一定物质的量浓度的NO，同时有相同物质的量浓度的O2生成
b．气体混合物物质的量不再改变
c．气体混合物平均相对分子质量不再改变
d．容器内温度不再发生变化
e．密闭容器内气体颜色不再改变
f．混合气的密度不再改变
（3）一种新型催化剂能使NO和CO发生反应：2NO+2CO 2CO2+N2。已知增大催化剂的比表面积可提高该反应速率。为了验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验，如表所示。
实验编号
t/℃
NO初始浓度/mol·L-1
CO初始浓度/mol·L-1
催化剂的比表面积/m2·g-1
Ⅰ
280
1.20×10-3
5.80×10-3
82
Ⅱ
280
1.20×10-3
5.80×10-3
124
Ⅲ
350
a
5.80×10-3
82
①表中a=　 　。
②能验证温度对化学反应速率影响规律的是实验　 　(填实验编号)。
③实验Ⅰ和实验Ⅱ中，NO的物质的量浓度c(NO)随时间t的变化曲线如图所示，其中表示实验Ⅱ的是曲线　 　(填“甲”或“乙”)。

（4）通过NO传感器可监测汽车尾气中NO的含量，其工作原理如图所示。已知：O2-可在固体电解质中自由移动。

①NiO电极上发生的是　 　(填“氧化”或“还原”)反应。
②外电路中，电子是从　 　(填“NiO”或“Pt”)电极流出。
18．CO可直接作为燃料电池的燃料，某CO燃料电池的结构如图1所示。

（1）电池工作时，电子由电极　 　(填“A”或“B”，下同)流向电极　 　。
（2）电极B的电极反应式为　 　，该电池中可循环利用的物质为　 　。
（3）纳米级由于具有优良的催化性能而受到关注，采用CO燃料电池为电源，用离子交换膜控制电解液中的制备纳米，其装置如图2所示。

①电极A应连接　 　(填“C”或“D”)，穿过阴离子交换膜的离子为　 　。
②当反应生成14.4g时，图2左侧溶液　 　(填“增加”或“减少”)的质量为　 　g。
19．加工含硫原油时，需除去其中含硫物质。
（1）铁离子浓度是原油加工中防腐监测的重要指标。测定铁离子浓度前，需去除原油加工产生的酸性废水中的硫化氢及其盐。实验室模拟过程如下。
Ⅰ．将250mL酸性废水置于反应瓶中，加入少量浓盐酸，调节pH小于5。
Ⅱ．在吸收瓶中加入饱和氢氧化钠溶液。
Ⅲ．打开脱气—吸收装置，通入氮气，调节气流速度，使气体依次经过反应瓶和吸收瓶。当吹出气体中H2S体积分数达到标准，即可停止吹气。
已知：含硫微粒的物质的量分数（δ）随pH变化情况如下图所示。

①步骤Ⅰ中加入浓盐酸调节pH＜5的原因是　 　。
②步骤Ⅱ中，当测得吸收液的pH为 　 　时，需要更换NaOH溶液。
③利用邻菲罗啉分光光度法可测定样品中的含铁量。测定前需用盐酸羟基胺（NH2OH·HCl）将Fe3+还原为Fe2+。将下述离子方程式补充完整：　 　Fe3++　 　NH2OH·HCl=　 　Fe2++N2↑+　 　+　 　+　 　Cl-
（2）原油中的硫化氢还可采用电化学法处理，并制取氢气，其原理如下图所示。

①写出反应池内发生反应的离子方程式　 　。
②电解池中，阳极的电极反应为　 　。
20．一定条件下，向容器中同时通入甲烷、氧气和水蒸气三种气体，发生的化学反应有：
反应过程
化学方程式
焓变

活化能

甲烷氧化






蒸汽重整






（1）已知： ，则 燃烧热 　 　。
（2）在初始阶段，甲烷蒸汽重整的反应速率小于甲烷氧化的反应速率，原因可能是　 　。
（3）恒温恒压体系（温度为 ，压强为 ），反应 达到平衡时，各气体的物质的量均为 ，用某气体组分 的平衡分压（分压=总压×物质的量分数）代替物质的量浓度 也可表示平衡常数（记作 ）。则：
①平衡常数 　 　。
②再向容器中瞬时同时充入 、 、 、 ，此时 （正）　 　 （逆）（填“>”“；2H2S+3O2 2SO2+2H2O
（2）化学；电；H2S+8OH- —6e- =SO32- +5H2O；减小
【解析】【解答】（1）由图可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，为放热反应。
燃烧方程式：2H2S+3O2 2SO2+2H2O
（2）该装置为原电池，故是将化学能转化为电能，负极为硫化氢生成二氧化硫，电极反应如下， H2S+8OH- —6e- =SO32- +5H2O ，根据电极反应式可得，消耗了氢氧根，故PH减小
【分析】（1）反应物的能量高于生成物的能量为放热反应，反之为吸热反应
（2）电极反应书写步骤：先找反应物，再找生成物，根据变价元素标明得失电子数目，最后再配电荷守恒，及原子守恒。
17．【答案】（1）吸收；226
（2）bcde
（3）1.20×10-3；Ⅰ、Ⅲ；乙
（4）氧化；NiO
【解析】【解答】(1)根据断键吸热，成键放热，结合化学键的键能大小数值可知2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)的反应热△H=628 kJ/mol×2+493 kJ/mol-931 kJ/mol×2=+113 kJ/mol，说明该反应为吸热反应，当4 mol NO2(g)分解时，吸收热量Q=113 kJ/mol× mol=226 kJ；
(2)a．根据方程式可知：在任何条件下每反应产生2 mol NO，同时会产生1 mol O2，若单位时间内，每生成一定物质的量浓度的NO，同时有相同物质的量浓度的O2生成，不能说明反应处于平衡状态，a不正确；
b．该反应的正反应是气体体积减小的反应，若气体混合物物质的量不再改变，说明反应达到平衡状态，b正确；
c．反应混合物都是气体，气体的质量始终不变；该反应的正反应是气体体积减小的反应，若气体混合物平均相对分子质量不再改变，则气体混合物物质的量不再改变，说明反应达到平衡状态， c正确；
d．该反应的正反应是吸热反应，反应在恒容绝热容器内发生，若容器内温度不再发生变化，说明反应达到了平衡状态，d正确；
e．反应混合物中只有NO2是有色气体，若密闭容器内气体颜色不再改变，说明NO2的浓度不变，反应达到了平衡状态，e正确；
f．反应在恒容密闭容器内进行，气体的体积相同；反应混合物都是气体，气体的质量不变，则混合气的密度始终不改变，因此不能据此判断反应是否达到平衡状态，f不正确；
故答案为：bcde；
(3)①要采用控制变量方法进行研究。实验I、II只有催化剂的比表面积不同；是研究催化剂的比表面积对反应速率的影响；实验I、III是研究温度对反应速率的影响，其它条件都相同，故表中a=1.20×10-3 mol/L；
②要证明温度对化学反应速率的影响，应该只改变反应温度，根据表格数据可知对比实验应该为实验I、III；
③实验I、II反应的温度、NO、CO的初始浓度相同，只有催化剂比表面积不同，由于催化剂的表面积越大，反应速率越快，则表示实验Ⅱ的是曲线乙；
(4)①根据图示可知：在NiO电极上NO失去电子被氧化变为NO2，NO发生氧化反应；
②在图示装置中，Pt电极上通入O2，O2得到电子，发生还原反应变为O2-，在外电路中电子由Pt电极经导线流向正极NiO电极，在内电路中，电子由NiO流出流入Pt电极。
【分析】（1）根据焓变=反应物的键能-生成物的键能即可判断和计算
（2）前后系数不同，且体积不变的反应判断是否达到平衡可以考虑，浓度是否不变，同种物质的正逆速率是否相等、平均相对分子质量以及颜色和温度是否不变进行判断
（3） ①通过控制变量法即判断初始浓度a的数值 ②通过找出温度不同其他条件均相同的实验即可 ③催化剂接触面积越大，故速率越快，平衡时间越短
（4）根据元素化合价的变化情况，Pt电极做的是正极，氧气得到电子发生的是还原反应，NiO电极是负极，一氧化氮失去电子变为二氧化氮发生的是氧化反应
18．【答案】（1）A；B
（2）；
（3）C；；减少；3.6
【解析】【解答】（1）CO燃料电池工作时，电极A为负极、CO失去电子被氧化，则电子由电极A流出，沿着导线流向电极B、氧气在电极B上得到电子被还原、电极B为正极。
（2）电极B上氧气发生还原反应转变为碳酸根离子，电极反应式为，由图知，负极上生成、正极上消耗，则该电池中可循环利用的物质为。
（3）①需通过电解法制备纳米级，则需要铜失去电子被氧化、Cu作阳极、与电源正极相连，Ti作阴极、与电源负极相连，故电极A应连接C，电解时阴离子穿过阴离子交换膜向阳极移动，故穿过阴离子交换膜的为OH-离子。
②阴极反应为，阳极反应为2Cu-2e- +2OH-=Cu2O + H2O，当反应生成14.4g即0.1mol时，转移电子的物质的量为0.2mol，则图2左侧逸出0.1molH2、0.2mol OH-迁移出去，故左侧溶液减少的质量为0.1mol×2g/mol+0.2mol ×17g/mol =3.6g。

【分析】（1）燃料电池中，燃料在负极失电子发生氧化反应；氧气在正极得电子，发生还原反应；电子由负极经外电路流向正极；
（2）氧气在正极得电子，发生还原反应；由图中的物质生成和消耗分析。
（3）①电解池中，与电源正极相连的电极是阳极，阳极失电子，发生氧化反应，与电源负极相连的电极是阴极，阴极上得电子，发生还原反应，内电路中阴离子移向阳极、阳离子移向阴极；
②依据得失电子守恒。
19．【答案】（1）可将硫元素全部转化为H2S吹出；9~11均可；2；2；2；4H+；2H2O；2
（2）2Fe3+＋H2S=2Fe2++S↓+2H+；Fe2+-e-= Fe3+
【解析】【解答】(1)①通过分析可知，第一步中将废水调至pH＜5，是为了使含硫微粒全部转化为H2S以便利用N2将其吹出；②通过分析可知，务必要在吸收液的pH降至9以下之前更换吸收液，这样才能保证吸收效果；③配平离子方程式时，可先配平电子得失守恒，再利用H+，OH-和水等配平电荷守恒，最后检查原子守恒并配平；反应过程中盐酸羟胺中的N原子发生升价从-1价升高至0价，而Fe3+发生降价从+3价降低至0价；因此最终的离子方程式为： ；(2)①通过分析可知，反应池内Fe3+将H2S氧化，离子方程式为： ；②通过分析可知，电解池左边为阳极池，发生的是Fe2+的氧化反应，电极反应式为： 。
【分析】测定铁离子浓度前，先要去除酸性废水中H2S以及相应的盐；第一步向废水中加稀盐酸，将其pH调至小于5；通过溶液中含硫微粒的物质的量分数随pH变化的情况可知，pH小于5时，含硫微粒几乎只有H2S；这样通过向反应瓶中吹扫氮气，就可以将溶液中的H2S吹扫出去，从而实现硫化氢及其盐的脱除；考虑到硫化氢的毒性，因此需要用NaOH溶液吸收吹扫出的H2S；再结合溶液中含硫微粒的物质的量分数随pH变化的图像分析，当pH＜9时溶液中的HS-含量开始快速增加，而HS-的含量较多不利于H2S的吸收；因此为了保证吸收效果，在溶液的pH降低至9时，务必要更换吸收液。电化学法脱除原油中的H2S，由原理图可知，采用的是电解的方式实现的；那么产生H2的电极是阴极，而与反应池存在溶液交换的极室则为阳极区；由图可知，H2S是在反应池中被氧化为S单质，那么Fe3+则在反应池内被还原为Fe2+；将含有Fe2+的溶液再回流回电解池的阳极池中，就可以将Fe2+再次氧化为Fe3+，实现再生后，再次通入反应池中使用。
20．【答案】（1）
（2）重整反应活化能高（或开始时重整反应物浓度低；或开始时体系不能提供重整所需的热能等其他合理答案）
（3） （或 ）；