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

(1)A：2H⁺+2I^- H₂↑+I₂ ；B：4Fe³⁺+2H₂O  O₂↑+4H⁺+4Fe²⁺
光催化反應池：2Fe²⁺+I₂2Fe³⁺+2I^-       (2)0.300 mol  (3)  L·min^-1

試題分析：（1）電解池A中，H⁺和I^-反應生成H₂和I₂，則反應的離子方程式是2H⁺+2I^- H₂↑+I₂。電解池B中，Fe³⁺和H₂O反應生成O₂、H⁺和Fe²⁺，則反應的離子方程式是4Fe³⁺+2H₂O  O₂↑+4H⁺+4Fe²⁺。光催化反應池中，H⁺、I₂、Fe²⁺反應生成H⁺、I^-和Fe³⁺，則光催化反應池中的離子方程式是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^-可知
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
點評：該題是中等難度的試題，試題基礎性強，在注重對學生基礎知識鞏固和訓練的同時，側重對學生基礎知識的鞏固和訓練，旨在培養學生的靈活運用基礎知識解決實際問題的能力，有利于培養學生的邏輯推理能力和發散思維能力。該題的關鍵是明電解池的工作原理，利用好電子的得失守恒，然后結合題意靈活運用即可。