Question

利用太陽光分解水制氫是未來解決能源危機的理想方法之一。某研究小組設計了如下圖所示的循環系統實現光分解水制氫。反應過程中所需的電能由太陽能光電池提供，反應體系中I₂和Fe³⁺等可循環使用。

(1)寫出電解池A、電解池B和光催化反應池中反應的離子方程式。

(2)若電解池A中生成3.36 L H₂(標準狀況)，試計算電解池B中生成Fe²⁺的物質的量。

(3)若循環系統處于穩定工作狀態時，電解池A中流入和流出的HI濃度分別為a mol·L^-1和b mol·L^-1，光催化反應生成Fe³⁺的速率為c mol·L^-1，循環系統中溶液的流量為Q(流量為單位時間內流過的溶液體積)。試用含所給字母的代數式表示溶液的流量Q。

Answer 1

解析：(1)電解池A中，H⁺和I^-反應生成H₂和I₂。2H⁺+2I^-H₂↑+I₂。

電解池B中，Fe³⁺和H₂O反應生成O₂、H⁺和Fe²⁺。4Fe³⁺+2H₂OO₂↑+4H⁺+4Fe²⁺。

光催化反應池中，H⁺、I₂、Fe²⁺反應生成H⁺、I^-和Fe³⁺:2Fe²⁺+I₂2Fe³⁺+2I^-。

(2)n(H₂)==0.150 mol

轉移電子的物質的量為n(e^-)=2n(H₂)=0.150 mol×2=0.300 mol，

因為電解池A、B是串聯電解池，電路中轉移的電子數目相等。

所以，n(Fe²⁺)=n(e^-)=0.300 mol。

(3)根據化學反應2Fe²⁺+I₂2Fe³⁺+2I^-

光催化反應生成I^-的速率v(I^-)=v(Fe³⁺)=c mol·min^-1

電解池A中消耗I^-的速率應等于光催化反應池中生成I^-的速率

a mol·L^-1×Q-b mol·L^-1×Q=c mol·min^-1

Q= L·min^-1

答案：(1)電解池A：2H⁺+2I^-H₂↑+I₂

電解池B：4Fe³⁺+2H₂OO₂↑+4H⁺+4Fe²⁺

光催化反應池：2Fe²⁺+I₂2Fe³⁺+2I^-

(2)0.300 mol  (3) L·min^-1