Question

1．氢气是一种清洁能源．科学家探究太阳能制氢技术，设计流程图如图1：

信息提示：以下反应均在150℃发生
2HI（aq）?H₂（g）+I₂（g ）△H₁
SO₂（g）+I₂（g）+2H₂O（g）=H₂SO₄（l）+2HI（g）△H₂
2H₂SO₄（l）?2H₂O（g）+2SO₂（g）+O₂（g）△H₃
2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g）△H₄
请回答下列问题：
（1）△H₄与△H₁、△H₂、△H₃之间的关系是：△H₄=2△H₁+2△H₂+△H₃．
（2）该制氢气技术的优点是物质循环利用，能源来自太阳能，无污染且取之不尽用之不竭（两个要点，一个是物质循环、一个是能量），若反应SO₂（g）+I₂（g）+2H₂O（g）=H₂SO₄（l）+2HI（g）在150℃下能自发进行，则△H＜0（填“＞”，“＜”或“=”）．
（3）在某温度下，H₂SO₄在不同催化剂条件下分解产生氧气的量随时间变化如图2所示．则下列说法正确的是BD．
A．H₂SO₄分解反应的活化能大小顺序是：E_a（A）＞E_a（ B ）＞E_a（C ）
B．若在恒容绝热的密闭容器中发生反应，当K值不变时，说明该反应已经达到平衡
C．0～4小时在A催化剂作用下，H₂SO₄分解的平均速率v（O₂）=1250mol•h^-1
D．不同催化剂的催化效果不同，是因为活化分子百分数不相同
（4）对于反应：2HI（g）?H₂（g）+I₂（g），在716K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x（HI）与反应时间t的关系如表：

t/min	0	20	40	60	80	120
x（HI）	1	0.91	0.85	0.815	0.795	0.784
x（HI）	0	0.60	0.73	0.773	0.780	0.784

①根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为：$K=\frac{0.108×0.108}{{{{0.784}^2}}}$．
②上述反应中，正反应速率为v_正=k_正•x²（HI），逆反应速率为v_逆=k_逆•x（H₂）•x（I₂），其中k_正、k_逆为速率常数，则k_逆为k_逆=$\frac{K正}{K}$（以K和k_正表示）．若k_正=0.0027min^-1，在t=40min时，v_正=1.95×10^-3min^-1
③由上述实验数据计算得到v_正～x（HI）和v_逆～x（H₂）的关系可用图3表示．当升高到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的点分别为A、E（填字母）

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，将前3个热化学方程式变形，混合运算推出热化学式2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g）△H₄；
（2）流程图可知该过程中物质可以循环利用，能量源于太阳能是新型的清洁能源，据此解答；
（3）使用催化剂，可以降低反应的活化能，增大活化分子的百分数，加快反应速率，不同的催化剂对活化能的改变不同，根据反应速率可以判断活化能的大小；
根据图象判断0～4小时生成氧气的物质的量，利用公式v（O₂）=$\frac{△n（{O}_{2}）}{△t}$计算；，据此分析解答；
（4）①表中第一组，由HI分解建立平衡，表中第二组向逆反应进行建立平衡，由第一组数据可知，平衡时HI物质的量分数为0.784，则氢气、碘蒸汽总物质的量分数为1-0.784=0.216，而氢气、与碘蒸汽物质的量分数相等均为0.108，反应前后气体体积不变，用物质的量分数代替浓度代入平衡常数表达式K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$计算；
②到达平衡时，正、逆反应速率相等，结合平衡常数表达式，可知k_逆的表达式；在t=40min时，x（HI）=0.85，代入正反应速率表达式v_正=k_正x²（HI）计算；
③升高温度，正、逆反应速率均加快，正反应为吸热反应，升高温度，平衡向吸热反应方向移动，正反应建立平衡，平衡时HI的物质的量分数减小，逆反应建立平衡，平衡时H₂的物质的量分数增大．

解答 解：（1）2H（aq）?H₂（g）+I₂（g）△H₁ ①
SO₂（g）+I₂（g）+2H₂O（g）═H₂SO₄（J）+2HI（g）△H₂②
2H₂SO₄（I）?2H₂O（g）+2SO₂（g）+O₂（g）△H₃ ③
2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g）△H₄ ④
根据盖斯定律①×2+②×2+③得2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g），所以△H₄=2△H₁+2△H₂+△H₃ ，
故答案为：2△H₁+2△H₂+△H₃ ；
（2）从流程图可知，该过程中物质能够循环利用，能源来自太阳能，洁净无污染，且取之不尽，用之不竭，SO₂（g）+I₂（g）+2H₂O（g）═H₂SO₄（l）+2HI（g）该反应气体系数减小，是个熵值减小的应，即△S＜0，在150℃下能自发进行说明△H-T△S＜0，结合△S＜0可以判断△H＜0，
故答案为：物质循环利用，能源来自太阳能，无污染且取之不尽用之不竭（两个要点，一个是物质循环、一个是能量）；＜；
（3）A．根据图表可知在0-4小时，ABC三种条件下生成的氧气的量依次减少，可以判断在三种不同催化剂作用下反应速率V（A）＞V（B）＞V（C），活化能越小反应速率越快，故活化能顺序为：E_a（A）＜E_a（B）＜E_a（C），故A错误；
B．K只与温度有关，K不变说明温度不变，反应达到平衡状态，故B正确；
C．根据图象判断0～4小时生成氧气的物质的量5000μmol，所以v（O₂）=$\frac{△n（{O}_{2}）}{△t}$=1250μmolh^-1，故C错误；
D．不同的催化剂对同一个反应活化能改变程度不同，活化能不同，活化分子百分比不同，故D正确；
故答案为：BD；
（4）①表中第一组，由HI分解建立平衡，表中第二组向逆反应进行建立平衡，由第一组数据可知，平衡时HI物质的量分数为0.784，则氢气、碘蒸汽总物质的量分数为1-0.784=0.216，而氢气、与碘蒸汽物质的量分数相等均为0.108，反应前后气体体积不变，用物质的量分数代替浓度计算平衡常数，则平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$=$\frac{0.108×0.108}{0.78{4}^{2}}$，

故答案为：$K=\frac{0.108×0.108}{{{{0.784}^2}}}$；
②到达平衡时，正、逆反应速率相等，则k_正x²（HI）=k_逆x（H₂）x（I₂），则k_逆=k_正×$\frac{{x}^{2}（HI）}{x（{H}_{2}）x（{I}_{2}）}$=$\frac{K正}{K}$，
在t=40min时，正反应建立平衡的x（HI）=0.85，则v_正=k_正x²（HI）=0.0027min^-1×0.85²=1.95×10^-3min^-1，
故答案为：k_逆=$\frac{K正}{K}$；1.95×10^-3；
③对于2HI（g）?H₂（g）+I₂（g）反应建立平衡时：
升高温度，正、逆反应速率均加快，因此排除C点，正反应为吸热反应，升高温度，平衡向吸热反应方向移动，因此平衡正向移动，再次平衡时HI的物质的量分数减小，因此排除B点，故选A点；
对于H₂（g）+I₂（g）?2HI（g）反应建立平衡时：
升高温度，正、逆反应速率均加快，升高温度，平衡向吸热反应方向移动，因此平衡逆向移动，再次平衡时H₂的物质的量分数增大，故选E点；
因此反应重新达到平衡，v_正～x（HI）对应的点为A，v_逆～x（H₂）对应的点为E，
故答案为：A、E．

点评 本题考查了盖斯定律求反应热的应用，反应自发进行的判据，催化剂对反应速率的影响，化学平衡状态的判断，平衡常数的计算，题目综合性强，（4）为易错点，侧重考查学生自学能力、分析解决问题的能力，注意表中数据为不同方向建立的平衡，题目中没有明确，题目难度中等．