2020届二轮复习 化学综合探究题 作业（全国通用）

化学综合探究题
1.高铁酸钾(K2FeO4)是一种易溶于水，高效的多功能水处理剂。工业上通常先制得高铁酸钠，然后在一定温度下，向高铁酸钠溶液中加入KOH至饱和，从而使高铁酸钾析出。
(1)高铁酸钾中铁元素的化合价为________，推测其具有的化学性质是________。
(2)高铁酸钾与水反应生成O2、Fe(OH)3(胶体)和KOH。
①该反应的离子方程式为__________________________________________。
②高铁酸钾作为水处理剂起到的作用是______________________________。
(3)①在无水条件下制备高铁酸钠的主要反应为2FeSO4＋aNa2O2===2Na2FeO4＋bX＋2Na2SO4＋cO2↑，该反应中物质X的化学式为________，b与c的关系是________。
②一定温度下，向高铁酸钠溶液中加入KOH至饱和可析出高铁酸钾，原因是_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(4)在碱性条件下，由氯化铁、氯气可制备出高铁酸钾，写出该反应的离子方程式：_____________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(5)某同学配制了一瓶K2FeO4溶液，但标签丢失了，测定该瓶溶液物质的量浓度的实验步骤如下：
步骤1：准确量取V mL溶液加入锥形瓶中；
步骤2：在强碱溶液中，用过量CrO与FeO反应生成Fe(OH)3和CrO；
步骤3：加足量稀硫酸，使CrO转化为Cr2O，CrO转化为Cr3＋，Fe(OH)3转化为Fe3＋；
步骤4：加入二苯胺磺酸钠作指示剂，用c mol·L－1(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液滴定至终点，消耗(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液V1 mL。
①滴定时发生反应的离子方程式为_______________________________________
____________________________________________________________________。
②原溶液中K2FeO4的物质的量浓度为________(用含字母的代数式表示)。
解析　(1)根据化合物中各元素化合价的代数和为零，可得铁元素的化合价为＋6；高铁酸钾中铁元素处于最高价态，则高铁酸钾具有强氧化性。(2)①高铁酸钾与水反应生成O2，同时它本身被还原生成Fe(OH)3，反应的离子方程式为4FeO＋10H2O===4Fe(OH)3(胶体)＋8OH－＋3O2↑。②高铁酸钾具有强氧化性，作为水处理剂能起到杀菌消毒的作用，同时其还原产物为Fe(OH)3胶体，又能起到净水的作用。(3)①根据元素守恒可知，X应是Na2O，根据钠元素守恒，有2a＝8＋2b，根据氧元素守恒有2a＝8＋b＋2c，两式联立，可得b＝2c。②一定温度下，向高铁酸钠溶液中加入KOH至饱和可析出高铁酸钾，原因是该条件下高铁酸钾的溶解度小于高铁酸钠的溶解度。(4)用氯气在碱性条件下氧化氯化铁可制备高铁酸钾，根据得失电子守恒、原子守恒及电荷守恒，反应的离子方程式为2Fe3＋＋3Cl2＋16OH－===2FeO＋6Cl－＋8H2O。(5)根据题意，步骤2中发生反应FeO＋CrO＋2H2O===Fe(OH)3↓＋CrO＋OH－，步骤3中CrO在稀硫酸作用下发生反应2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，步骤4滴定时发生反应Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===6Fe3＋＋2Cr3＋＋7H2O，故可得关系式FeO～3Fe2＋。原溶液中K2FeO4的物质的量浓度为 mol·L－1。
答案　(1)＋6　强氧化性　(2)①4FeO＋10H2O===4Fe(OH)3(胶体)＋8OH－＋
3O2↑　②杀菌消毒、净水
(3)①Na2O　b＝2c　②相同条件下高铁酸钾的溶解度小于高铁酸钠的溶解度
(4)2Fe3＋＋3Cl2＋16OH－===2FeO＋6Cl－＋8H2O
(5)①Cr2O＋6Fe2＋＋14H＋===6Fe3＋＋2Cr3＋＋7H2O　② mol·L－1
2.钴是一种人体必需的微量金属元素，在生产中也有极为广泛的用途，钴及其化合物可用作催化剂、电池、颜料与染料等的原料。
(1)特斯拉全电动汽车使用的是钴酸锂电池，其工作原理如图1所示，A 极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许 Li＋通过，电池反应式为：
LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2

图1
则电池充电时，阴极的电极反应式为
____________________________________________________________________，
放电时Li＋向________极(填“A”或“B”)移动。
(2)一种回收电极中Co元素的方法是：将难溶物LiCoO2与H2O2、H2SO4反应生成含CoSO4的澄清溶液。该反应的离子方程式为
____________________________________________________________________。
(3)烯烃氢甲酰化反应催化剂为钴(Co)或铑(Rh)含膦配位体的羰基配合物。用膦改性的铑催化剂催化的丙烯氢甲酰化机理如图2所示，该循环的总反应的化学方程式为__________________________________________(反应条件无需列出)。

(4)某含钴催化剂可同时催化去除柴油车尾气中的碳烟(C)和NOx。不同温度下，将100 mol模拟尾气(成分如下表所示)以相同的流速通过该催化剂，测得所有产物(CO2、N2、N2O)与NO的相关数据结果如图所示。
模拟尾气
气体
碳烟
NO
O2
He
物质的量分数
或物质的量
0.25%
5%
94.75%
a mol


380 ℃时，测得排出的气体中含4.5 mol O2和0.525 mol CO2，则X的化学式为____________________________________________________________________。
(5)NOx也可用SCR法消除，反应原理如下： 4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)===4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0，其他条件相同，向某密闭容器中分别投入NH3、NO、O2，在甲、乙两种催化剂作用下，NO转化率与温度的关系如图4所示。在催化剂甲作用下，图中Y点处(对应温度为210 ℃)NO的转化率一定不是该温度下的平衡转化率的原因_________________________________________________________
___________________________________________________________________。
工业实际选择催化剂乙的原因是
____________________________________________________________________。
解析　第(1)问第一空，根据总方程式判断阴极反应物与生成物，再由反应物得电子在Li＋介质中生成 LixC6。第(2)问第二空，放电时为原电池，阳离子Li＋移向正极。
第(2)问，氧化还原反应方程式的书写，先判断生成物再配平。
第(3)问，由图箭头进入的为反应物，箭头出来的为生成物，反应物是CH2===CH—CH3 、CO 和H2，生成物是C3H7CHO，总方程式为CH2===CH－CH3＋CO＋H2→C3H7CHO。
第(4)问，设NO转化为N2a mol，转化为N2O b mol，由N原子、O原子守恒列出等式：2a＋2b＝100×0.25%×(16%＋8%) ……①，2a＋2b－b＝0.525×2—(5—4.5)×2……②，解得a＝0.02 mol、b＝0.01 mol，推知X的化学式为N2。
第(5)问第一空，理解平衡转化率即该条件下的最大转化率、催化剂不改变平衡的转化率，分析图4曲线的意义可得Y点处NO的转化率一定不是该温度下的平衡转化率。第(5)问第二空，工业生产中通常根据反应物的转化率、温度和压强的大小、催化剂的活性等因素选择条件，该问中，温度较低时，使用催化剂乙NO的转化率已很高。
答案　(1)C6＋xLi＋＋xe－===LixC6　B
(2)2LiCoO2＋H2O2＋6H＋===2Li＋＋2Co2＋＋O2↑＋4H2O
(3)CH2===CH—CH3＋CO＋H2―→ C3H7CHO
(4)N2
(5)平衡转化率是该温度下的最大转化率，此时Y点NO的转化率明显低于同温度下乙作催化剂时NO的转化率　在低温下，使用催化剂乙，NO转化率很高。
3.硫氰酸盐、苯酚及硫代硫酸盐是HPF脱硫废液中的主要污染物(其中还含有Cl－、SO、Na＋等)可用NaClO3、H2SO4作脱除的试剂。
(1)Cl2与热的NaOH溶液反应生成NaClO3，该反应的化学方程式为____________________________________________________________________。
(2)常温时，反应C6H5O－＋H2OC6H5OH＋OH－的平衡常数为K＝________(C6H5OH的Ka＝1×10－10)。
(3)处理该废水需经预处理和再处理阶段。
①用浓硫酸对600 mL HPF脱硫废液进行酸化预处理(反应温度100 ℃)，其结果如表所示：
表1　预处理前后三种离子浓度变化情况
项目
S2O(g·L－1)
SCN－(g·L－1)
苯酚(g·L－1)
pH
处理前
34.28
70.11
1.3
8.55
处理后
0.91
69.76
1.35
2.4
由表1可知，该处理过程中主要被除去的污染物是________。
②对预处理后废液进行再处理(反应温度100 ℃)时，分13次依次向废液中加入试剂情况如表所示：
表2　13次依次加入试剂情况
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
NaClO3/g
16.3
0
0
0
0
0
7.6
0
5.7
0
10.9
0
7.1
浓H2SO4/mL
0
2
2
2
4
4
0
4
0
4
0
4
0
实验结果如图1所示：

前6次苯酚脱除率可达到80%左右，该过程中苯酚转化为白色沉淀(含苯环)，这与溶液中ClO和Cl－反应产生Cl2有关。该白色沉淀可能的结构简式为____________________________________________________________________。
③由表2和图1中数据得出，第7～13次操作中SCN－在较强酸性条件下被ClO(不水解)氧化的依据是______________________________________________。
此过程中产生大量砖红色沉淀(夹杂少量白色沉淀)，对沉淀进行XPS分析，部分元素的物质的量分数如图2所示。已知SCN－可被某些氧化剂(如Cu2＋等)最终氧化为砖红色的沉淀(SCN)x。一种推测认为该实验中产生的砖红色沉淀为(SCN)x，支持该推测的证据有：
____________________________________________________________________。
答案　(1)3Cl2＋6NaOHNaClO3＋5NaCl＋3H2O　(2)1×10－4
(3)①S2O(硫代硫酸盐)
②
③第7、9、11、13次加入NaClO3时，pH明显增大，SCN－脱除率相应增大(或：7～13次加入NaClO3时SCN－脱除率明显增大，而苯酚脱除率增大不明显)；SCN－可被某些氧化剂(如Cu2＋等)氧化为砖红色的沉淀，ClO具有较强的氧化性，沉淀中N、S物质的量之比几乎为1∶1且还含有C元素
4.辉铜矿主要成分是Cu2S，可用于制取金属铜和铜盐。
(1)已知部分反应的热化学方程式如下：
C(s)＋S2(g)===CS2(g)　ΔH1＝a kJ·mol－1
Cu2S(s)＋H2(g)===2Cu(s)＋H2S(g)　ΔH2＝b kJ·mol－1
2H2S(g)===2H2(g)＋S2(g)　ΔH3＝c kJ·mol－1
则C(s)＋2Cu2S(s)===4Cu(s)＋CS2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1(用含a、b、c的代数式表示)。
(2)从辉铜矿中浸取铜元素，可用FeCl3作浸取剂。
①反应Cu2S＋4FeCl3===2CuCl2＋4FeCl2＋S，每生成1 mol CuCl2，反应中转移电子的数目为________，浸取时，在有氧环境下可维持Fe3＋较高浓度，有关反应的离子方程式是_____________________________________________________
__________________________________________________________________；
②浸取过程中加入洗涤剂溶解硫时，铜元素浸取率的变化如图甲所示，其原因是____________________________________________________________________；

③353 K时，向FeCl3浸取液中加入CuCl2，能加快铜元素的浸取速率，其反应原理可用化学方程式表示为__________________________________________，
CuCl＋FeCl3===CuCl2＋FeCl2。
(3)辉铜矿可由黄铜矿(主要成分为CuFeS2)通过电化学反应转变而成，有关转化如图乙所示。转化时正极的电极反应式为
____________________________________________________________________。
(4)CuCl悬浊液中加入Na2S，发生的反应为2CuCl(s)＋S2－(aq)Cu2S(s)＋
2Cl－(aq)，该反应的平衡常数K＝________[已知Ksp(CuCl)＝1.2×10－6，Ksp(Cu2S)＝2.5×10－43]。
解析　(1)由盖斯定律知：ΔH＝ΔH1＋2ΔH2＋ΔH3＝(a＋2b＋c) kJ·mol－1。(2)①由反应方程式知，生成2 mol CuCl2时转移4 mol电子，根据“有氧”“Fe3＋较高浓度”信息可知，有O2参加反应，生成Fe3＋，从而写出正确的离子方程式。②S单质覆盖在辉铜矿表面，阻碍Cu2S与FeCl3的接触。先要想到加入的CuCl2与Cu2S参加了反应，由题目所给的另一方程式知生成了CuCl，结合总反应知生成了S，写出Cu2S＋CuCl2―→CuCl＋S后进行配平即可。(3)正极是得电子的还原反应，由图乙可知，CuFeS2得到电子结合H＋，转化为Cu2S、H2S、Fe2＋，配平即可。(4)K＝＝＝＝5.76×1030 (mol·L－1)。
答案　(1)a＋2b＋c　(2)①2NA(或1.204×1024)
4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O
②生成的硫覆盖在Cu2S表面，阻碍浸取
③Cu2S＋2CuCl2===4CuCl＋S
(3)2CuFeS2＋6H＋＋2e－===Cu2S＋2Fe2＋＋3H2S↑
(4)5.76×1030
5.氢能是一种极具发展潜力的清洁能源，硫碘循环制氢主要的热化学方程式为：
Ⅰ.SO2(g)＋2H2O(l)＋I2(g)===H2SO4 (l)＋2HI(g)
ΔH＝35.9 kJ/mol
Ⅱ.2H2SO4(l)===2SO2(g)＋O2(g)＋2H2O(l)
ΔH＝470 kJ/mol
Ⅲ.2HI(g)===H2(g)＋I2(g)　ΔH＝14.9 kJ/mol
(1)反应2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)的ΔH＝________ mol·L－1。
(2)反应Ⅰ在液相中发生称为bensun反应，向水中加入1 mol SO2和3 mol I2，在不同温度下恰好完全反应生成的n(SO)和n(I)的变化见图甲。
①I中x＝________。
②温度达到120 ℃时，该反应不发生的原因是
____________________________________________________________________。
(3)反应Ⅲ是在图乙中进行，其中的高分子膜只允许产物通过，高分子膜能使反应程度________(填“增大”、“减小”或“不变”)，在该装置中为了进一步增大平衡时HI的分解率；不考虑温度的影响，还可以采取的措施为
____________________________________________________________________。
(4)图丙是一种制备H2的方法，装置中的MEA为允许质子通过的电解质膜。

①写出阳极电极的反应式：
_______________________________________________。
②电解产生的氢气可以用镁铝合金(Mg17Al12)来储存，合金吸氢后得到仅含一种金属的氢化物(其中氢的质量分数为0.077)和一种金属单质，该反应的化学方程式为____________________________________________________________。
解析　(1)目标反应可由－Ⅰ×2－Ⅱ－Ⅲ×2获得，计算反应热。(2)由图可知3 mol I2转化为2 mol I，由原子守恒x＝3。温度达到120 ℃，此时水为气态，I2也为气态，气态条件下三者不反应。(3)高分子膜相当于分离出产物，提高反应的转化率。提高HI的分解率，促使平衡正向移动，温度不考虑，压强不影响，所以考虑分离产物。(4)金属氢化物可能为MgH2或AlH3，两者氢的质量分数分别为0.077、0.01，所以产物为MgH2和Al。
答案　(1)－571.6
(2)①3　②此温度下碘单质、水、二氧化硫均为气态，气相中不发生反应
(3)增大　向装置中通入氮气(或其它“惰性”气体)吹出产物
(4)①CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋
②Mg17Al12＋17H2===17MgH2＋12Al
6.合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分。
(1)以NH3与CO2为原料可合成化肥尿素。
已知：①2NH3(g)＋CO2(g)===NH2CO2NH4(s)
ΔH1＝－159.5 kJ·mol－1；
②NH2CO2NH4(s)===CO(NH2)2＋H2O(l)
ΔH2＝＋28.5 kJ·mol－1
③H2O(l)===H2O(g)　ΔH3＝＋44.0 kJ·mol－1。
则NH3(g)与CO2(g)合成CO(NH2)2(s)和H2O(g)的热化学方程式为____________________________________________________________________。
(2)工业合成氨在合成塔中进行，测得合成塔入口气体体积之比V(N2)∶V(H2)∶V(NH3)＝6∶18∶1，出口气体体积之比为V(N2)∶V(H2)∶V(NH3)＝9∶27∶8，则H2的转化率为________。
(3)为降低合成氨工业废水的氨氮浓度，在厌氧氨氧化菌的催化作用下，使铵盐与亚硝酸盐反应生成N2，该反应的离子方程式是
____________________________________________________________________。

(4)犹他大学化学家发明了N2/H2生物燃料电池，以质子交换膜为隔膜，在室温条件下合成了氨的同时还提供了电
能(工作原理如图甲所示)。该生物燃料电池中，正极电极反应式为____________________________________________________________________。
(5)NH3可用于烟气的脱硝，使烟气中的NO还原为N2。某研究小组研究了NH3和NO在Ag2O催化剂表面的反应活性随温度的变化关系，实验结果如图乙所示。在有氧条件下，温度580 K之后NO生成N2的转化率降低的原因可能是____________________________________________________________________。
在温度在420～580 K时，有氧条件下NO生成N2的转化率明显高于无氧条件下原因可能是_______________________________________________________。
解析　(1)由盖斯定律知：2NH3(g)＋CO2(g)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g)的ΔH＝ΔH1＋ΔH2＋ΔH3＝－87.0 kJ·mol－1。(2)设入口气体量N2、H2、NH3物质的分别为6 mol、18 mol、1 mol，计算如下：
　　 　 N2　＋　3H22NH3
n0/mol：　 6 18 1
Δn/mol: x 3x 1＋2x
n平/mol: 6－x 18－3x 1＋2x
根据题意有(6－x)∶(1＋2x)＝9∶8，解得x＝1.5，则H2的转化率＝×100%＝×100%＝25%。(3)先根据题意写出NH＋NO―→N2↑，然后配平。(5)第一空要从温度升高对反应的影响或对催化剂的影响去考虑；第二空要从加入O2后，O2可能存在的影响去考虑。
答案　(1)2NH3(g)＋CO2(g)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g)　ΔH＝－87.0 kJ·mol－1
(2)25%
(3)NH＋NON2↑＋2H2O
(4)N2＋6e－＋6H＋===2NH3
(5)催化剂活性降低
NO与O2反应生成NO2，NO2更易与NH3反应
7.近几年来关于氮污染的治理倍受关注。
(1)三效催化剂是最为常见的汽车尾气催化剂，能同时实现汽车尾气中的CO、CxHy、NOx三种成分的净化，其催化剂表面物质转化的关系如图甲所示，化合物X可借助傅里叶红外光谱图(如图乙所示)确定。

①在图示的转化中，被还原的元素是________，X的化学式为________。
②SCR技术可使NOx与NH3直接反应，实现无害转化。当NO与NO2的物质的量之比为4∶1时，写出发生反应的化学方程式：
____________________________________________________________________。
(2)加入过量次氯酸钠可使废水中NH完全转化为N2，而本身被还原为NaCl。
①写出上述反应的离子方程式：
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
②若处理废水产生了0.448 L N2(标准状况下)，则需消耗浓度为0.5 mol·L－1的次氯酸钠溶液的体积为____ mL。
(3)某工业废水中含有毒性较大的CN－，可用电解法将其转变为N2，装置如图所示。气体甲是________(写化学式)，电解池中生成N2的电极反应式为
____________________________________________________________________。

解析　(1)①根据箭头所示，氮元素和氧元素化合价降低，被还原；化合物X可借助傅里叶红外光谱图确定，说明X中存在NO，再根据图甲可知，X中存在
Ba2＋。②NOx与NH3直接反应生成N2和H2O，根据电子得失守恒和原子个数守恒写出化学方程式。(2)①ClO－与NH反应生成N2和Cl－，根据电子得失守恒和电荷守恒写出离子方程式。②由离子方程式可得出关系式3ClO－～N2，n(N2)＝＝0.02 mol，则n(ClO－)＝0.06 mol，V(ClO－)＝＝0.12 L＝120 mL。(3)左端为CN－―→N2，氮元素被氧化，则左端为阳极，电极反应式为2CN－＋12OH－－10e－===2CO＋N2↑＋6H2O；右端为阴极，阴极为溶液中的阳离子发生放电，则气体甲为氢气。
答案　(1)①N、O　Ba(NO3)2
②8NH3＋8NO＋2NO2===9N2＋12H2O
(2)①2NH＋3ClO－===N2↑＋3Cl－＋2H＋＋3H2O
②120
(3)H2　2CN－＋12OH－－10e－===2CO＋N2↑＋6H2O
8.煤炭燃烧过程中会释放出大量的SO2、CO等有毒气体，工业上常用CaSO4、MnO2、海水来消除它们对大气的污染。
(1)CaSO4消除CO的反应原理如下：
CaSO4(s)＋4CO(g)CaS(s)＋4CO2(g)　ΔH1＜0
CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)
ΔH2＞0
常压下，工业生产中为了尽可能减少有毒气体的排放，常采用的措施是
____________________________________________________________________。
(2)在煤粉中掺入MnO2，既能脱硫又能提高燃烧效率。
①某煤粉中含硫元素的质量分数为0.5 %，在煤粉中掺入MnO2可在燃烧过程中生成MnSO4，理论上若使硫元素恰好与MnO2完全反应，则MnO2与煤粉混合的质量比为________。实际上需要向煤粉中掺入过量的MnO2以提高煤粉的燃烧效率，经分析，燃烧后的生成物中含有Mn3O4，由此可知MnO2能提高煤粉燃烧效率的原因是__________________________________________________________。
②用图甲电解MnSO4溶液可制备MnO2，其阳极的电极反应式为________________。酸性条件下，加热KClO3和MnCl2混合溶液也能制备MnO2，同时产生一种黄绿色的气体，该反应的离子方程式为
____________________________________________________________________。
(3)海水中的钠镁比(钠、镁元素的质量比)是影响吸收SO2的主要因素。某海水随水分的蒸发，钠镁比与密度关系如图乙所示，该海水中的钠镁比在密度高于
1.23 g·cm－3时急剧下降的原因是____________________________________。
已知三种海水体系的SO2吸收量随温度变化如图丙所示，工业上常采用________作为SO2的吸收剂。


丙
解析　(1)由题给的两个反应可知，适当降低温度则主要按第一个反应进行，可减少有毒气体的排放。(2)①由题意得关系式：S～SO2～MnO2，则MnO2与煤粉的质量比＝＝。MnO2转化为Mn3O4同时放出氧气，而氧气可助燃。②电解时阳极发生氧化反应，即Mn2＋转化为MnO2，电极反应式见答案。ClO也可将Mn2＋氧化为MnO2，则ClO转化为黄绿色的Cl2，离子方程式见答案。(3)海水水分蒸发，海水密度增大，当密度高于1.23 g·cm－3时，有NaCl形成晶体析出，则钠镁比急剧下降。由图丙可知，常温下卤水吸收SO2的量最大，温度升高后SO2的残留量又最少，故卤水最利于SO2的吸收与富集。
答案　(1)适当降低温度
(2)①87∶6 400　MnO2分解生成Mn3O4，同时放出氧气
②Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋
5Mn2＋＋2ClO＋4H2O===5MnO2↓＋Cl2↑＋8H＋
(3)密度高于1.23 g·cm－3时海水中的NaCl开始析出，导致钠镁比急剧下降　卤水