Question

5．碘硫化學循環原理如圖一所示．

（1）寫出反應③的化學方程式2HI?H₂+I₂，一定溫度下，向2L密閉容器中加入2mol HI（g），測得n （H₂）隨時間的變化如圖二所示，則該溫度下該反應的平衡常數K=$\frac{1}{64}$．
（2）寫出反應①的化學方程式I₂+SO₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，其中SO₂體現的是還原性．
（3）綜合①②③三個反應，可看出該化學循環是為了制備某種能源氣體，該氣體的化學式是H₂．
（4）氧缺位鐵酸銅（CuFe₂O_4-δ）是反應②的良好的催化劑．實驗室用如下方法制得：
I．在Fe（NO₃）₃和Cu（NO₃）₂混合溶液中加入一定量KOH溶液，加熱
II． 調節pH并連續攪拌24小時
III．過濾、干燥獲得鐵酸銅（CuFe₂O₄）
Ⅳ．在氮氣保護下、1 223K時煅燒CuFe₂O₄，得到CuFe₂O_3.86
①寫出制備得到CuFe₂O₄的化學方程式2Fe（NO₃）₃+Cu（NO₃）₂+8KOH=CuFe₂O₄+8KNO₃+4H₂O
②研究發現：

溫度	元素存在形式
1 200-1 350K	Fe3+部分轉變為Fe2+

計算CuFe₂O_3.86中Fe³⁺與Fe²⁺的質量百分含量之比為43：7．
（5）由于該循環中H₂SO₄ 與HI發生副反應造成反應器堵塞，因此有科學家用圖三所示原理進行反應．寫出陽極的電極反應式SO₂+2H₂O-2e^-=4H⁺+SO₄^2-．請用文字說明在N極能夠獲得所需物質的原因是M極附近產生的H⁺通過質子交換膜移動到N極附近，與I₂失電子后得到的I^-形成HI溶液．

Answer 1

分析 （1）由圖可知碘化氫分解生成單質碘和氫氣； 結合圖象，利用三段式求出各物質平衡時的濃度，然后由平衡常數K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$計算；
（2）反應①為二氧化硫與單質碘反應生成HI和硫酸；反應中S元素的化合價升高，作還原劑；
（3）二氧化硫和水、碘單質發生反應生成硫酸、氫碘酸，而碘化氫分解生成碘和氫氣；
（4）①由題意可知Fe（NO₃）₃和Cu（NO₃）₂混合溶液中加入一定量KOH溶液反應生成CuFe₂O₄和KNO₃，根據質量守恒配平；
②根據化合物種各元素的化合價的代數和為零計算；
（5）電解時二氧化硫在陽極失電子生成硫酸；碘單質在N極得電子生成碘離子，與氫離子結合形成HI．

解答 解：（1）由圖可知碘化氫分解生成單質碘和氫氣，其反應的方程式為：2HI?H₂+I₂；
             2HI?H₂+I₂
起始（mol/L）：1       0    0
轉化（mol/L）：0.2    0.1   0.1
平衡（mol/L）：0.8    0.1   0.1
則K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$=$\frac{0.1×0.1}{0．{8}^{2}}$=$\frac{1}{64}$；
故答案為：2HI?H₂+I₂；$\frac{1}{64}$；
（2）反應①為二氧化硫與單質碘反應生成HI和硫酸，反應的方程式為：I₂+SO₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，反應中S元素的化合價升高，則二氧化硫被氧化作還原劑，體現還原性；
故答案為：I₂+SO₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄；還原；
（3）二氧化硫和水、碘單質發生反應生成硫酸、氫碘酸，而碘化氫分解生成碘和氫氣，所以該反應釋放的能源氣體為氫氣，故答案為：H₂；
（4）①Fe（NO₃）₃和Cu（NO₃）₂混合溶液中加入一定量KOH溶液反應生成CuFe₂O₄和KNO₃，其反應的方程式為2Fe（NO₃）₃+Cu（NO₃）₂+8KOH=CuFe₂O₄+8KNO₃+4H₂O，
故答案為：2Fe（NO₃）₃+Cu（NO₃）₂+8KOH=CuFe₂O₄+8KNO₃+4H₂O；
②設CuFe₂O_3.86中Fe³⁺個數為x，Fe²⁺的個數為y，
由化合價的代數和為零得：2+3x+2y+（-2）×3.86=0，x+y=2，
則解得：$\frac{x}{y}$=43：7，所以CuFe₂O_3.86中Fe³⁺與Fe²⁺的質量百分含量之比為 43：7；
故答案為：43：7；
（5）電解時二氧化硫在陽極失電子生成硫酸，其電極方程式為：SO₂+2H₂O-2e^-=4H⁺+SO₄^2-；碘單質在N極得電子生成碘離子，M極附近產生的H⁺通過質子交換膜移動到N極附近，碘離子與氫離子結合形成HI，
故答案為：SO₂+2H₂O-2e^-=4H⁺+SO₄^2-；M極附近產生的H⁺通過質子交換膜移動到N極附近，與I₂失電子后得到的I^-形成HI溶液．

點評 本題是一道綜合題，考查了化學平衡常數的計算、氧化還原反應概念、化學方程式的書寫、電解原理的應用等，題目難度中等，側重于考查學生對基礎知識的綜合應用能力，注意把握實驗原理．