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大題精做十 以電化學(xué)為主線串聯(lián)反應(yīng)原理 精選大題 1.(2018寧德模擬)高鐵酸鈉(Na2FeO4)是一種新型、高效的水處理劑，與水反應(yīng)的化學(xué)方程式為4Na2FeO4＋10H2O===4Fe(OH)3＋3O2↑＋8NaOH。電解制備Na2FeO4裝置示意圖如圖所示。 (1)a是電源的_____(填“正”或“負(fù)”)極。電解時，石墨電極附近溶液的堿性______(填“增強”“減弱”或“不變”)。 (2)鐵電極的反應(yīng)式為_________________________________________________。 (3)維持一定的電流強度和電解溫度，NaOH起始濃度對Na2FeO4濃度影響如圖(電解液體積相同的情況下進(jìn)行實驗)。 ①電解3.0h內(nèi)，隨NaOH起始濃度增大，Na2FeO4濃度變化趨勢是________(填“增大”“不變”或“減小”)。 ②當(dāng)NaOH起始濃度為16molL?1，1.0～2.0h內(nèi)生成Na2FeO4的速率是________molL?1h?1。 ③A點與B點相比，n[Fe(OH)3]∶A________B(填“>”“＝”或“<”)。 (4)提純電解所得Na2FeO4，采用重結(jié)晶、過濾、洗滌、低溫烘干的方法，則洗滌劑最好選用________(填標(biāo)號)溶液和異丙醇。 A．Fe(NO3)3　　B．NH4Cl　　C．CH3COONa (5)次氯酸鈉氧化法也可以制得Na2FeO4。 已知：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝a kJmol?1 NaCl(aq)＋H2O(l)===NaClO(aq)＋H2(g)　ΔH＝b kJmol?1 4Na2FeO4(aq)＋10H2O(l)===4Fe(OH)3(s)＋3O2(g)＋8NaOH(aq)　ΔH＝c kJmol?1 反應(yīng)2Fe(OH)3(s)＋3NaClO(aq)＋4NaOH(aq)===2Na2FeO4(aq)＋3NaCl(aq)＋5H2O(l)的ΔH＝_____kJmol?1。 【解析】(1)應(yīng)該用鐵作陽極電解氫氧化鈉制備高鐵酸鈉，電解時鐵失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)結(jié)合OH?生成FeO和H2O，電極反應(yīng)式為Fe＋8OH?－6e?===FeO＋4H2O；因此a是電源的負(fù)極，b為電源的正極；電解時，石墨電極為陰極，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH?，石墨電極附近溶液的堿性增強。(2)根據(jù)上述分析，鐵電極的反應(yīng)式為Fe＋8OH?－6e?===FeO＋4H2O。(3) ①根據(jù)圖像，電解3.0h內(nèi)，隨NaOH起始濃度增大，Na2FeO4濃度逐漸增大。②根據(jù)圖像，當(dāng)NaOH起始濃度為16molL?1時，1.0～2.0h內(nèi)生成Na2FeO4的速率為＝8molL?1h?1。③根據(jù)圖像，A點與B點相比，Na2FeO4濃度：A>B，根據(jù)鐵原子守恒，n[Fe(OH)3]∶A”、“＝”或“<”，下同)v(逆)；壓強：p1____p2；該反應(yīng)的ΔH____0。 （3）在恒溫、p2下，在一容積可變的容器中，達(dá)到平衡狀態(tài)x時四種氣體的物質(zhì)的量均為1mol，若此時再充入四種氣體各1mol，則平衡____(填“向左”、“向右”或“不”)移動。 （4）一定條件下，CH4還可與NO2反應(yīng)，改善霧霾天氣，其化學(xué)方程式為CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)，在恒溫恒容下，下列可以判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是____(填序號)。 a．v逆(N2)＝2v正(H2O) b．混合氣體的密度不再變化 c．混合氣體的物質(zhì)的量不再變化 d．單位時間內(nèi)有1mol NO2消耗同時消耗1mol CO2 e．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變 f．CH4與CO2的物質(zhì)的量之比不再發(fā)生變化 （5）在恒溫恒容下，使1mol CH4(g)與2mol NO2反應(yīng)，達(dá)平衡后，再往反應(yīng)器中分別充入下列氣體，可以使CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)中NO2轉(zhuǎn)化率增大的是____(填序號)。 A．CH4B．CO2C．物質(zhì)的量之比為1∶2的CH4與NO2D．N2 （6）CH4還可以運用到電化學(xué)中，某課外小組用CH4為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料作電極，電浮選凝聚法處理污水，設(shè)計如圖所示裝置。則甲烷燃料電池的總反應(yīng)式為______。為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定，電池工作時必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)(如圖)，A物質(zhì)的化學(xué)式是______。 【解析】（1）320g可燃冰可釋放2mol甲烷，2mol甲烷完全燃燒放出1780.6kJ能量，則1mol甲烷完全燃燒放出890.3kJ能量，故甲烷燃燒熱的熱化學(xué)方程式為：CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=－890.3 kJmol?1；（2）y點甲烷轉(zhuǎn)化率低于平衡時甲烷轉(zhuǎn)化率，故反應(yīng)還需正向進(jìn)行，故v(正)>v(逆)；該反應(yīng)正向為氣體體積增大的反應(yīng)，減小壓強，平衡正向移動，由p1到p2，甲烷轉(zhuǎn)化率降低，即增大了壓強，故p10；（3）恒溫恒壓條件下，同等增大各物質(zhì)濃度，平衡不移動；（4）a．平衡時，2v逆(N2)＝v正(H2O)，故a錯誤；b．反應(yīng)過程中，氣體總質(zhì)量不變，恒容條件下氣體總體積不變，故氣體密度始終不變，錯誤；c．該反應(yīng)反應(yīng)過程中，混合氣體的總物質(zhì)的量不斷發(fā)生改變，若混合氣體的物質(zhì)的量不再變化，則反應(yīng)達(dá)到平衡，正確；d．平衡時，單位時間內(nèi)有2mol NO2消耗同時消耗1mol CO2，錯誤；e．反應(yīng)進(jìn)行過程中，混合氣體總物質(zhì)的量發(fā)生改變，氣體總質(zhì)量不變，若混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變，則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，正確；f．甲烷和二氧化碳屬于可逆反應(yīng)中不同反應(yīng)方向的反應(yīng)物，比值會隨著反應(yīng)的進(jìn)行而改變，故當(dāng)CH4與CO2的物質(zhì)的量之比不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；（5）A．增大甲烷物質(zhì)的量，NO2的轉(zhuǎn)化率增大，正確；B．CO2為生成物，增大CO2的量，平衡逆向移動，NO2的轉(zhuǎn)化率減小，錯誤；C．通入物質(zhì)的量之比為1∶2的CH4與NO2的混合氣體，相當(dāng)于壓強增大，平衡逆向移動，NO2轉(zhuǎn)化率降低，錯誤；D．N2為生成物，增大N2的濃度，平衡逆向移動，NO2轉(zhuǎn)化率減小，錯誤。（6）根據(jù)甲烷與氧氣反應(yīng)生成CO2和H2O寫出該總反應(yīng)式為：CH4+2O2===CO2+2H2O；該電池正極反應(yīng)式為：O2+2CO2+4e-=2CO32-，負(fù)極反應(yīng)式為：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O，由此可知，物質(zhì)A為CO2。 【答案】（1）CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=－890.3kJmol－1 （2） ＞＜＞ （3）不 （4）cef （5）A （6）CH4+2O2===CO2+2H2O CO2 4．（一）合成氨工藝（流程如圖所示）是人工固氮最重要的途徑。 2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯（PHaber）獲得諾貝爾獎100周年。N2和H2生成NH3的反應(yīng)為：1/2N2(g)+3/2H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2KJmol?1，在Fe催化劑作用下的反應(yīng)歷程為（*表示吸附態(tài)） 化學(xué)吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*； 表面反應(yīng)：N*+ H*NH*；NH*+ H*NH2*；NH2*+H*NH3* 脫附：NH3*NH3(g) 其中，N2的吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。請回答： （1）利于提高合成氨平衡產(chǎn)率的條件有__________。 A．低溫　　　　B．高溫　　　　　 C．低壓　　　　　 D．高壓　　　　 E．催化劑 （2）標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KΘ=ρNH3/ρθρN2/ρθ0.5ρH2/ρθ1.5，其中pΘ為標(biāo)準(zhǔn)壓強（1105Pa），PNH3、PN2和PH2為各組分的平衡分壓，如PNH3=xNH3p，p為平衡總壓，xNH3p為平衡系統(tǒng)中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)； ①N2和H2起始物質(zhì)的量之比為1∶3，反應(yīng)在恒定溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓強下進(jìn)行，NH3的平衡產(chǎn)率為w，則KΘ=_____________（用含w的最簡式表示）； ②下圖中可以示意標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KΘ隨溫度T變化趨勢的是_______。 （3）實際生產(chǎn)中，常用工藝條件，F(xiàn)e作催化劑，控制溫度773K，壓強3.0X105Pa，原料中N2和H2物質(zhì)的量之比為1∶2.8。 ①分析說明原料氣中N2過量的理由________________________。 ②關(guān)于合成氨工藝的下列理解，正確的是_______。 A．合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔH都小于零 B．控制溫度（773K）遠(yuǎn)高于室溫，是為了保證盡可能的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應(yīng)速率 C．當(dāng)溫度、壓強一定時，在原料氣（N2和H2的比例不變）中添加少量惰性氣體，有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率 D．基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化，不斷將液氨移去，利于反應(yīng)正向進(jìn)行 E．分離空氣可得N2，通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化可得H2，原料氣須經(jīng)過凈化處理，以防止催化劑中毒和安全事故發(fā)生。 （二）高鐵酸鉀（K2FeO4）可用作水處理劑。某同學(xué)通過“化學(xué)-電解法”探究的合成，其原理如圖所示。接通電源，調(diào)節(jié)電壓，將一定量Cl2通入KOH溶液，然后滴入含F(xiàn)e3+的溶液，控制溫度，可制得K2FeO4。 （1）請寫出“化學(xué)法”得到FeO的離子方程式___________________________。 （2）請寫出陽極的電極反應(yīng)式（含F(xiàn)eO）___________________________________。 【解析】(一)（1）由勒夏特列原理可知，根據(jù)反應(yīng)12N2(g)＋32H2(g)NH3(g)ΔH（298K）＝－46.2kJ/mol，為了提高合成氨平衡產(chǎn)率，即平衡正向移動，低溫和高壓符合條件，答案選AD； （2）①12N2(g)＋32H2(g)NH3(g) 起始量： 1 3 0 轉(zhuǎn)化量：ω 3ω2ω 平衡量： 1-ω3-3ω2ω x(NH3)%=2ω4-2ω；x(N2)%=1-ω4-2ω；x(H2)%=3-3ω4-2ω Kθ=2ω4-2ωpθpθ[(1-ω4-2ω)pθpθ]12[(3-3ω4-2ω)pθpθ]32，化簡得4ω(2-ω)33(1-ω)2； ②反應(yīng)12N2(g)＋32H2(g)NH3(g)ΔH（298K）＝－46.2kJ/mol為放熱反應(yīng)，溫度T升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，K0減小，InK0也減小，InK0與溫度不成正比，故答案選A；（3）①由反應(yīng)12N2(g)＋32H2(g)NH3(g)可知，加過量氮氣，有利于平衡正向移動，提高H2的轉(zhuǎn)化率以及氨氣的產(chǎn)率，同時根據(jù)題干“N2的吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢，決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。”可知，N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率。②易知A選項正確；控制溫度遠(yuǎn)高于室溫是為了保證催化劑的活性，提高反應(yīng)速率，并非為了保證盡可能高的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應(yīng)速率，B錯誤；恒壓條件充入少量惰性氣體，相當(dāng)于減壓，平衡逆向移動，不利于提高平衡轉(zhuǎn)化率，C錯誤；不斷將氨氣液化，生成物濃度降低，有利于平衡正向移動，D正確，當(dāng)選；通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化制得的H2，由于含有CH4，CO等易燃易爆氣體，容易出現(xiàn)安全隱患，此外CH4，CO可能會與催化劑反應(yīng)，造成催化劑活性降低，所以必須經(jīng)過凈化處理，E正確。答案選ADE；（二）（1）將一定量C12通入KOH溶液，生成KCl和KClO，KClO具有強氧化性，將Fe3+氧化為FeO42-，然后根據(jù)堿性環(huán)境，配平即可，得到2Fe3+＋3C1O?＋10OH?===2FeO＋3Cl?＋5H2O或2Fe(OH)3+3C1O?＋4OH?===2FeO＋3Cl?＋5H2O；（2）陽極失電子，反應(yīng)物為Fe3+產(chǎn)物為FeO，然后根據(jù)堿性環(huán)境及守恒規(guī)則，易寫出Fe3++8OH?-3e?===FeO＋4H2O或Fe(OH)3+5OH?-3e?===FeO＋4H2O。 【答案】(一)（1）AD （2）4ω(2-ω)33(1-ω)2A （3）原料氣中N2相對易得，適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率；N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟，適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率ADE （二）（1）2Fe3+＋3C1O?＋10OH?===2FeO＋3Cl?＋5H2O或2Fe(OH)3+3C1O?＋4OH?===2FeO＋3Cl?＋5H2O （2）Fe3++8OH?-3e?===FeO＋4H2O或Fe(OH)3+5OH?-3e?===FeO＋4H2O