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(shè)計了如下圖所示的循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)光分解水制氫。反應(yīng)過程中所需的電能由太陽能光電池提供，反應(yīng)體系中I₂和Fe³⁺等可循環(huán)使用。

(1)寫出電解池A、電解池B和光催化反應(yīng)池中反應(yīng)的離子方程式。

(2)若電解池A中生成3.36 L H₂(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，試計算電解池B中生成Fe²⁺的物質(zhì)的量。

(3)若循環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)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(yīng)生成Fe³⁺的速率為c mol·L^-1，循環(huán)系統(tǒng)中溶液的流量為Q(流量為單位時間內(nèi)流過的溶液體積)。試用含所給字母的代數(shù)式表示溶液的流量Q。

Answer 1

(1)電解池A：2H⁺+2I^-H₂↑+I₂

電解池B：4Fe³⁺+2H₂OO₂↑+4H⁺+4Fe²⁺

光催化反應(yīng)池：2Fe²⁺+I₂2Fe³⁺+2I^-

(2)0.300 mol  (3) L·min^-1

解析:

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

電解池B中，F(xiàn)e³⁺和H₂O反應(yīng)生成O₂、H⁺和Fe²⁺。4Fe³⁺+2H₂OO₂↑+4H⁺+4Fe²⁺。

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

(2)n(H₂)==0.150 mol

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

因為電解池A、B是串聯(lián)電解池，電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目相等。

所以，n(Fe²⁺)=n(e^-)=0.300 mol。

(3)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)2Fe²⁺+I₂2Fe³⁺+2I^-

光催化反應(yīng)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(yīng)等于光催化反應(yīng)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