Question

1．氫氣是一種清潔能源．科學(xué)家探究太陽(yáng)能制氫技術(shù)，設(shè)計(jì)流程圖如圖1：

信息提示：以下反應(yīng)均在150℃發(fā)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
請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）△H₄與△H₁、△H₂、△H₃之間的關(guān)系是：△H₄=2△H₁+2△H₂+△H₃．
（2）該制氫氣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)循環(huán)利用，能源來(lái)自太陽(yáng)能，無(wú)污染且取之不盡用之不竭（兩個(gè)要點(diǎn)，一個(gè)是物質(zhì)循環(huán)、一個(gè)是能量），若反應(yīng)SO₂（g）+I₂（g）+2H₂O（g）=H₂SO₄（l）+2HI（g）在150℃下能自發(fā)進(jìn)行，則△H＜0（填“＞”，“＜”或“=”）．
（3）在某溫度下，H₂SO₄在不同催化劑條件下分解產(chǎn)生氧氣的量隨時(shí)間變化如圖2所示．則下列說(shuō)法正確的是BD．
A．H₂SO₄分解反應(yīng)的活化能大小順序是：E_a（A）＞E_a（ B ）＞E_a（C ）
B．若在恒容絕熱的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)K值不變時(shí)，說(shuō)明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡
C．0～4小時(shí)在A催化劑作用下，H₂SO₄分解的平均速率v（O₂）=1250mol•h^-1
D．不同催化劑的催化效果不同，是因?yàn)榛罨�分子百分�(jǐn)?shù)不相同
（4）對(duì)于反應(yīng)：2HI（g）?H₂（g）+I₂（g），在716K時(shí)，氣體混合物中碘化氫的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x（HI）與反應(yīng)時(shí)間t的關(guān)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根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K的計(jì)算式為：$K=\frac{0.108×0.108}{{{{0.784}^2}}}$．
②上述反應(yīng)中，正反應(yīng)速率為v_正=k_正•x²（HI），逆反應(yīng)速率為v_逆=k_逆•x（H₂）•x（I₂），其中k_正、k_逆為速率常數(shù)，則k_逆為k_逆=$\frac{K正}{K}$（以K和k_正表示）．若k_正=0.0027min^-1，在t=40min時(shí)，v_正=1.95×10^-3min^-1
③由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到v_正～x（HI）和v_逆～x（H₂）的關(guān)系可用圖3表示．當(dāng)升高到某一溫度時(shí)，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，相應(yīng)的點(diǎn)分別為A、E（填字母）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，將前3個(gè)熱化學(xué)方程式變形，混合運(yùn)算推出熱化學(xué)式2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g）△H₄；
（2）流程圖可知該過(guò)程中物質(zhì)可以循環(huán)利用，能量源于太陽(yáng)能是新型的清潔能源，據(jù)此解答；
（3）使用催化劑，可以降低反應(yīng)的活化能，增大活化分子的百分?jǐn)?shù)，加快反應(yīng)速率，不同的催化劑對(duì)活化能的改變不同，根據(jù)反應(yīng)速率可以判斷活化能的大��；
根據(jù)圖象判斷0～4小時(shí)生成氧氣的物質(zhì)的量，利用公式v（O₂）=$\frac{△n（{O}_{2}）}{△t}$計(jì)算；，據(jù)此分析解答；
（4）①表中第一組，由HI分解建立平衡，表中第二組向逆反應(yīng)進(jìn)行建立平衡，由第一組數(shù)據(jù)可知，平衡時(shí)HI物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.784，則氫氣、碘蒸汽總物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1-0.784=0.216，而氫氣、與碘蒸汽物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相等均為0.108，反應(yīng)前后氣體體積不變，用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)代替濃度代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$計(jì)算；
②到達(dá)平衡時(shí)，正、逆反應(yīng)速率相等，結(jié)合平衡常數(shù)表達(dá)式，可知k_逆的表達(dá)式；在t=40min時(shí)，x（HI）=0.85，代入正反應(yīng)速率表達(dá)式v_正=k_正x²（HI）計(jì)算；
③升高溫度，正、逆反應(yīng)速率均加快，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)建立平衡，平衡時(shí)HI的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小，逆反應(yīng)建立平衡，平衡時(shí)H₂的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)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
根據(jù)蓋斯定律①×2+②×2+③得2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g），所以△H₄=2△H₁+2△H₂+△H₃ ，
故答案為：2△H₁+2△H₂+△H₃ ；
（2）從流程圖可知，該過(guò)程中物質(zhì)能夠循環(huán)利用，能源來(lái)自太陽(yáng)能，潔凈無(wú)污染，且取之不盡，用之不竭，SO₂（g）+I₂（g）+2H₂O（g）═H₂SO₄（l）+2HI（g）該反應(yīng)氣體系數(shù)減小，是個(gè)熵值減小的應(yīng)，即△S＜0，在150℃下能自發(fā)進(jìn)行說(shuō)明△H-T△S＜0，結(jié)合△S＜0可以判斷△H＜0，
故答案為：物質(zhì)循環(huán)利用，能源來(lái)自太陽(yáng)能，無(wú)污染且取之不盡用之不竭（兩個(gè)要點(diǎn)，一個(gè)是物質(zhì)循環(huán)、一個(gè)是能量）；＜；
（3）A．根據(jù)圖表可知在0-4小時(shí)，ABC三種條件下生成的氧氣的量依次減少，可以判斷在三種不同催化劑作用下反應(yīng)速率V（A）＞V（B）＞V（C），活化能越小反應(yīng)速率越快，故活化能順序?yàn)椋篍_a（A）＜E_a（B）＜E_a（C），故A錯(cuò)誤；
B．K只與溫度有關(guān)，K不變說(shuō)明溫度不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．根據(jù)圖象判斷0～4小時(shí)生成氧氣的物質(zhì)的量5000μmol，所以v（O₂）=$\frac{△n（{O}_{2}）}{△t}$=1250μmolh^-1，故C錯(cuò)誤；
D．不同的催化劑對(duì)同一個(gè)反應(yīng)活化能改變程度不同，活化能不同，活化分子百分比不同，故D正確；
故答案為：BD；
（4）①表中第一組，由HI分解建立平衡，表中第二組向逆反應(yīng)進(jìn)行建立平衡，由第一組數(shù)據(jù)可知，平衡時(shí)HI物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.784，則氫氣、碘蒸汽總物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1-0.784=0.216，而氫氣、與碘蒸汽物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相等均為0.108，反應(yīng)前后氣體體積不變，用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)代替濃度計(jì)算平衡常數(shù)，則平衡常數(shù)K=$\frac{c（{H}_{2}）c（{I}_{2}）}{{c}^{2}（HI）}$=$\frac{0.108×0.108}{0.78{4}^{2}}$，

故答案為：$K=\frac{0.108×0.108}{{{{0.784}^2}}}$；
②到達(dá)平衡時(shí)，正、逆反應(yīng)速率相等，則k_正x²（HI）=k_逆x（H₂）x（I₂），則k_逆=k_正×$\frac{{x}^{2}（HI）}{x（{H}_{2}）x（{I}_{2}）}$=$\frac{K正}{K}$，
在t=40min時(shí)，正反應(yīng)建立平衡的x（HI）=0.85，則v_正=k_正x²（HI）=0.0027min^-1×0.85²=1.95×10^-3min^-1，
故答案為：k_逆=$\frac{K正}{K}$；1.95×10^-3；
③對(duì)于2HI（g）?H₂（g）+I₂（g）反應(yīng)建立平衡時(shí)：
升高溫度，正、逆反應(yīng)速率均加快，因此排除C點(diǎn)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，因此平衡正向移動(dòng)，再次平衡時(shí)HI的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小，因此排除B點(diǎn)，故選A點(diǎn)；
對(duì)于H₂（g）+I₂（g）?2HI（g）反應(yīng)建立平衡時(shí)：
升高溫度，正、逆反應(yīng)速率均加快，升高溫度，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，因此平衡逆向移動(dòng)，再次平衡時(shí)H₂的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大，故選E點(diǎn)；
因此反應(yīng)重新達(dá)到平衡，v_正～x（HI）對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為A，v_逆～x（H₂）對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為E，
故答案為：A、E．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律求反應(yīng)熱的應(yīng)用，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)，催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響，化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷，平衡常數(shù)的計(jì)算，題目綜合性強(qiáng)，（4）為易錯(cuò)點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生自學(xué)能力、分析解決問(wèn)題的能力，注意表中數(shù)據(jù)為不同方向建立的平衡，題目中沒(méi)有明確，題目難度中等．