Question

5．碘硫化学循环原理如图一所示．

（1）写出反应③的化学方程式2HI?H₂+I₂，一定温度下，向2L密闭容器中加入2mol HI（g），测得n （H₂）随时间的变化如图二所示，则该温度下该反应的平衡常数K=$\frac{1}{64}$．
（2）写出反应①的化学方程式I₂+SO₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，其中SO₂体现的是还原性．
（3）综合①②③三个反应，可看出该化学循环是为了制备某种能源气体，该气体的化学式是H₂．
（4）氧缺位铁酸铜（CuFe₂O_4-δ）是反应②的良好的催化剂．实验室用如下方法制得：
I．在Fe（NO₃）₃和Cu（NO₃）₂混合溶液中加入一定量KOH溶液，加热
II． 调节pH并连续搅拌24小时
III．过滤、干燥获得铁酸铜（CuFe₂O₄）
Ⅳ．在氮气保护下、1 223K时煅烧CuFe₂O₄，得到CuFe₂O_3.86
①写出制备得到CuFe₂O₄的化学方程式2Fe（NO₃）₃+Cu（NO₃）₂+8KOH=CuFe₂O₄+8KNO₃+4H₂O
②研究发现：

温度	元素存在形式
1 200-1 350K	Fe3+部分转变为Fe2+

计算CuFe₂O_3.86中Fe³⁺与Fe²⁺的质量百分含量之比为43：7．
（5）由于该循环中H₂SO₄ 与HI发生副反应造成反应器堵塞，因此有科学家用图三所示原理进行反应．写出阳极的电极反应式SO₂+2H₂O-2e^-=4H⁺+SO₄^2-．请用文字说明在N极能够获得所需物质的原因是M极附近产生的H⁺通过质子交换膜移动到N极附近，与I₂失电子后得到的I^-形成HI溶液．

Answer 1

分析 （1）由图可知碘化氢分解生成单质碘和氢气； 结合图象，利用三段式求出各物质平衡时的浓度，然后由平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$计算；
（2）反应①为二氧化硫与单质碘反应生成HI和硫酸；反应中S元素的化合价升高，作还原剂；
（3）二氧化硫和水、碘单质发生反应生成硫酸、氢碘酸，而碘化氢分解生成碘和氢气；
（4）①由题意可知Fe（NO₃）₃和Cu（NO₃）₂混合溶液中加入一定量KOH溶液反应生成CuFe₂O₄和KNO₃，根据质量守恒配平；
②根据化合物种各元素的化合价的代数和为零计算；
（5）电解时二氧化硫在阳极失电子生成硫酸；碘单质在N极得电子生成碘离子，与氢离子结合形成HI．

解答 解：（1）由图可知碘化氢分解生成单质碘和氢气，其反应的方程式为：2HI?H₂+I₂；
             2HI?H₂+I₂
起始（mol/L）：1       0    0
转化（mol/L）：0.2    0.1   0.1
平衡（mol/L）：0.8    0.1   0.1
则K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$=$\frac{0.1×0.1}{0．{8}^{2}}$=$\frac{1}{64}$；
故答案为：2HI?H₂+I₂；$\frac{1}{64}$；
（2）反应①为二氧化硫与单质碘反应生成HI和硫酸，反应的方程式为：I₂+SO₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，反应中S元素的化合价升高，则二氧化硫被氧化作还原剂，体现还原性；
故答案为：I₂+SO₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄；还原；
（3）二氧化硫和水、碘单质发生反应生成硫酸、氢碘酸，而碘化氢分解生成碘和氢气，所以该反应释放的能源气体为氢气，故答案为：H₂；
（4）①Fe（NO₃）₃和Cu（NO₃）₂混合溶液中加入一定量KOH溶液反应生成CuFe₂O₄和KNO₃，其反应的方程式为2Fe（NO₃）₃+Cu（NO₃）₂+8KOH=CuFe₂O₄+8KNO₃+4H₂O，
故答案为：2Fe（NO₃）₃+Cu（NO₃）₂+8KOH=CuFe₂O₄+8KNO₃+4H₂O；
②设CuFe₂O_3.86中Fe³⁺个数为x，Fe²⁺的个数为y，
由化合价的代数和为零得：2+3x+2y+（-2）×3.86=0，x+y=2，
则解得：$\frac{x}{y}$=43：7，所以CuFe₂O_3.86中Fe³⁺与Fe²⁺的质量百分含量之比为 43：7；
故答案为：43：7；
（5）电解时二氧化硫在阳极失电子生成硫酸，其电极方程式为：SO₂+2H₂O-2e^-=4H⁺+SO₄^2-；碘单质在N极得电子生成碘离子，M极附近产生的H⁺通过质子交换膜移动到N极附近，碘离子与氢离子结合形成HI，
故答案为：SO₂+2H₂O-2e^-=4H⁺+SO₄^2-；M极附近产生的H⁺通过质子交换膜移动到N极附近，与I₂失电子后得到的I^-形成HI溶液．

点评 本题是一道综合题，考查了化学平衡常数的计算、氧化还原反应概念、化学方程式的书写、电解原理的应用等，题目难度中等，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，注意把握实验原理．