IGCSE 化学 0620 Paper 4 练习卷：电解、金属提取与反应速率（Extended 理论卷・100 分）

年级：中四至中五（IGCSE Year 10–11）　｜　科目：化学 0620　｜　时限：75 分钟　｜　总分：100 分　｜　题数：30

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Paper	时间	分数	计算机
Paper 4（Extended，结构题）	1 小时 15 分	75	不可用

题目

第 1 题（16 分）　电解的原理与电极产物

(a) 解释何谓电解，并指出电解能发生所必须的两个条件。 （3 分）

(b) 写出电解熔融氯化钠时，阴极与阳极的电极方程式。 （4 分）

(c) 固态氯化钠不能导电，解释原因。 （3 分）

(d) 电解浓氯化钠水溶液时，阳极生成氯气而不是氧气，解释原因。 （3 分）

(e) 同一电解中，阴极生成氢气而不是钠，解释原因。 （3 分）

第 2 题（17 分）　电镀与电量计算

(a) 铜电镀时电流为 2.00 A，通电 30.0 分钟。计算通过的电量（库仑）。 （3 分）

(b) 承上题，计算阴极理论上析出的铜的质量（Cu = 63.5，1 mol 电子 = 96500 C）。 （4 分）

(c) 在同一电量下镀银（Ag+ + e- → Ag，Ag = 107.9），计算析出银的质量，并比较与铜的质量。 （4 分）

(d) 实验所得铜的质量通常略低于理论值，提出两个原因。 （3 分）

(e) 电镀一件铁器时，铁器应接电源的正极还是负极？解释。 （3 分）

第 3 题（17 分）　铝的提取

(a) 解释为何铝不能像铁那样用碳还原其氧化物来提取。 （3 分）

(b) 铝土矿在电解前要先用氢氧化钠溶液处理，说明这一步的目的。 （3 分）

(c) 写出电解熔融氧化铝时，阴极与阳极的电极方程式。 （4 分）

(d) 电解槽中加入冰晶石有什么作用？解释对能源成本的影响。 （4 分）

(e) 电解过程中碳阳极会逐渐消耗，解释原因。 （3 分）

第 4 题（16 分）　碰撞理论与影响反应速率的因素

(a) 定义化学反应速率，并写出常用的两种量度方式。 （3 分）

(b) 用碰撞理论解释：增加反应物的浓度为什么会加快反应速率。 （3 分）

(c) 催化剂如何加快反应？解释催化剂在反应前后的质量与化学性质。 （4 分）

(d) 把大块碳酸钙换成同质量的粉末，与盐酸反应会明显加快，解释原因。 （3 分）

(e) 温度升高 10 °C 通常令反应速率大约加倍，用碰撞理论解释。 （3 分）

第 5 题（17 分）　由实验数据计算平均速率

(a) 大理石碎与 1.0 mol/dm3 盐酸反应，收集到的二氧化碳体积为：0 秒 0 cm3、30 秒 45 cm3、60 秒 78 cm3、90 秒 96 cm3、120 秒 104 cm3、150 秒 108 cm3。计算首 30 秒的平均速率。 （3 分）

(b) 计算 30 秒至 60 秒的平均速率，并解释它比首 30 秒慢的原因。 （4 分）

(c) 解释曲线在 150 秒后趋向平缓的原因，并指出最终气体体积大约是多少。 （3 分）

(d) 若改用 2.0 mol/dm3 的盐酸，而碳酸钙的质量不变，说明曲线的起始斜率和最终体积各有何变化。 （4 分）

(e) 若把同质量的碳酸钙磨成粉末，画出的曲线有什么不同？ （3 分）

第 6 题（17 分）　电解工业的能源与环境考虑

(a) 解释为何电解提取金属的成本很高，并指出一个降低成本的选址考虑。 （3 分）

(b) 某铝电解厂的电流为 15000 A，连续运行 24 小时。计算通过的电量。 （4 分）

(c) 承上题，计算该厂 24 小时理论上可生产的铝的质量（以 kg 表示，1 mol 电子 = 96500 C，Al = 27）。 （4 分）

(d) 回收铝比由铝土矿提取铝有什么环境好处？ （3 分）

(e) 氯碱工业中，提出一个与氯气有关的安全或环境风险及一项对策。 （3 分）

答案及评分准则

第 1 题　电解的原理与电极产物

(a) 电解是利用直流电使熔融状态或水溶液中的离子化合物分解的过程（1 分）；必须有可自由移动的离子（1 分）；必须有直流电源提供电能（1 分）。 ［3 分］

(b) 阴极：Na+ + e- → Na（2 分，反应物与生成物各 1 分）；阳极：2Cl- → Cl2 + 2e-（2 分，反应物与生成物各 1 分）。 ［4 分］

(c) 固态时离子被固定在晶格中（1 分）；离子只能振动，不能移动（1 分）；没有可移动的带电粒子，因此不能导电（1 分）。 ［3 分］

(d) 溶液中氯离子的浓度远高于氢氧离子（1 分）；氯离子较易失去电子而被氧化（1 分）；因此阳极主要生成氯气（1 分）。 ［3 分］

(e) 水中的氢离子比钠离子更易获得电子（1 分）；钠离子在水溶液中不会被还原（1 分）；因此阴极放出氢气（1 分）。 ［3 分］

第 2 题　电镀与电量计算

(a) 电量等于电流乘以时间（1 分）；30.0 分钟即 1800 秒（1 分）；2.00 × 1800 = 3600 C（1 分）。 ［3 分］

(b) 电子摩尔数为 3600 ÷ 96500 = 0.0373 mol（1 分）；Cu2+ + 2e- → Cu，铜摩尔数为电子的一半，即 0.0187 mol（1 分）；质量等于摩尔数乘摩尔质量（1 分）；结果为 1.18 g（1 分）。 ［4 分］

(c) 银的摩尔数等于电子摩尔数，即 0.0373 mol（1 分）；质量为 0.0373 × 107.9（1 分）；结果为 4.03 g（1 分）；银的质量大于铜（1 分）。 ［4 分］

(d) 部分电流用于还原氢离子而放出氢气（1 分）；金属附着不牢固而剥落或溅失（1 分）；电极表面被氧化或清洗不彻底影响沉积（1 分）。 ［3 分］

(e) 铁器应接负极（阴极）（1 分）；金属阳离子在阴极获得电子而被还原（1 分）；还原出的金属便沉积在铁器表面（1 分）。 ［3 分］

第 3 题　铝的提取

(a) 铝比碳更活泼（1 分）；氧化铝非常稳定，碳的还原能力不足以把它还原（1 分）；因此要用电解方法（1 分）。 ［3 分］

(b) 把氧化铝溶解成可溶的铝酸钠（1 分）；使氧化铁等杂质不溶解而可以过滤除去（1 分）；得到较纯的氧化铝供电解（1 分）。 ［3 分］

(c) 阴极：Al3+ + 3e- → Al（2 分）；阳极：2O2- → O2 + 4e-（2 分）。 ［4 分］

(d) 冰晶石把氧化铝的熔点由约 2045 °C 降至约 950 °C（2 分）；较低温度节省加热所需的能源（1 分）；熔融物导电性提高，减少电能损耗（1 分）。 ［4 分］

(e) 阳极生成的氧与热碳反应（1 分）；生成二氧化碳（1 分）；因此阳极要定期更换（1 分）。 ［3 分］

第 4 题　碰撞理论与影响反应速率的因素

(a) 反应速率是单位时间内反应物的消耗量或生成物的生成量（1 分）；可量度气体体积随时间的变化（1 分）；亦可量度质量的减少或溶液颜色的变化（1 分）。 ［3 分］

(b) 单位体积内的粒子数目增加（1 分）；粒子碰撞的频率提高（1 分）；每秒有更多碰撞达到活化能，故速率加快（1 分）。 ［3 分］

(c) 催化剂提供另一条活化能较低的反应途径（1 分）；较多碰撞能成功反应，速率加快（1 分）；催化剂在反应前后质量不变（1 分）；化学性质亦不变（1 分）。 ［4 分］

(d) 粉末的表面积大得多（1 分）；暴露在酸中的粒子数目增加（1 分）；粒子碰撞的频率提高，速率加快（1 分）。 ［3 分］

(e) 粒子平均动能增加（1 分）；达到或超过活化能的碰撞数目大幅增加（1 分）；碰撞频率亦略为提高，故速率明显加快（1 分）。 ［3 分］

第 5 题　由实验数据计算平均速率

(a) 平均速率等于体积变化除以时间（1 分）；45 ÷ 30（1 分）；结果为 1.5 cm3/s（1 分）。 ［3 分］

(b) 体积变化为 78 − 45 = 33 cm3（1 分）；33 ÷ 30 = 1.1 cm3/s（1 分）；盐酸浓度随反应进行而降低（1 分）；浓度降低令碰撞频率下降，速率减慢（1 分）。 ［4 分］

(c) 反应物已耗尽或其中一种已完全消耗（2 分）；最终二氧化碳体积约为 108 cm3（1 分）。 ［3 分］

(d) 起始斜率更陡，即初速率更大（1 分）；因为酸浓度加倍，碰撞频率提高（1 分）；碳酸钙的摩尔数不变而且它是限量试剂（1 分）；最终气体体积基本相同（1 分）。 ［4 分］

(e) 曲线更陡，即反应更快（1 分）；较早达到水平（1 分）；最终气体体积相同（1 分）。 ［3 分］

第 6 题　电解工业的能源与环境考虑

(a) 需要很大的电流并长时间运行，耗电量极高（1 分）；电力是主要成本（1 分）；可把电解厂建于水力或地热发电便宜的地方（1 分）。 ［3 分］

(b) 电量等于电流乘以时间（1 分）；24 小时即 86400 秒（1 分）；15000 × 86400（1 分）；结果为 1.296 × 10 的 9 次方 C（1 分）。 ［4 分］

(c) 电子摩尔数为 1.296 × 10 的 9 次方 ÷ 96500 = 1.34 × 10 的 4 次方 mol（1 分）；Al3+ + 3e- → Al，铝摩尔数为电子的三分一（1 分）；质量为 4477 × 27 = 120870 g（1 分）；即约 121 kg（1 分）。 ［4 分］

(d) 回收所用的能源约为电解提取的百分之五（1 分）；减少铝土矿的开采与土地破坏（1 分）；减少废弃物与相关的排放（1 分）。 ［3 分］

(e) 氯气有毒，泄漏会危害工人及附近居民（1 分）；应把电解槽密封并保持略低于大气压（1 分）；尾气经碱液吸收并设连续监测（1 分）。 ［3 分］

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