Question

【題目】鐵的化合物在生產(chǎn)生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛：

（1）一定條件下Fe2O3與甲烷反應(yīng)制取納米級(jí)鐵,同時(shí)生成CO和H2。已知：

Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H=-27.6kJ/mol

CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+206.4kJ/mol

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-41.0kJ/mol

①反應(yīng)Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)的△H=________。

②若該反應(yīng)在5L的密閉容器中進(jìn)行,5min后達(dá)到平衡,測得體系中固體質(zhì)量減少0.96g，則該段時(shí)間內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率為________。

③若該反應(yīng)在恒溫恒壓容器中進(jìn)行,能表明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是________(選填序號(hào))。

a．c(CH2)=c(CO) b．固體的總質(zhì)量不變

c．v(CO)與v(H2)的比值不變 d．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變

④該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的負(fù)對數(shù)pK隨反應(yīng)溫度T的變化曲線如下圖。

試用平衡移動(dòng)原理解釋該曲線的變化規(guī)律________________。若700℃時(shí)測得平衡時(shí),H2濃度為1.0mol·L-1,則CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為_________。

（2）菱鐵礦的主要成分是FeCO3,實(shí)驗(yàn)室中可以通過FeSO4與足量NaHCO3溶液混合制得FeCO3,有關(guān)反應(yīng)的離子方程式為________________________。已知Ksp[FeCO3]=3.2×10-11,H2CO3的Ka1=4.30×10-7,Ka2=5.61×10-11。試通過以上數(shù)據(jù)簡要計(jì)算說明該反應(yīng)能進(jìn)行的原因_______________________________。

（3）Na2FeO4是一種高效凈水劑,工業(yè)上以Fe為陽極,NaOH為電解質(zhì)溶液進(jìn)行電解制備,寫出陽極的電極反應(yīng)式_________________________________________。

Answer 1

【答案】 +714.6kJ/mol 0.0024mol/(L·min) bd 該反應(yīng)為吸熱反應(yīng),溫度越高反應(yīng)進(jìn)行的程度越大,K越大,則pK越小 50% Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+CO2↑+H2O(或Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+H2CO3) K=c(H2CO3)/[c(Fe2+)·c2(HCO3-)]=Ka2/(Ksp[FeCO3]·Ka1)=4.08×106>105,所以該反應(yīng)易發(fā)生 Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O

【解析】(1) ①已知：①Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H=-27.6kJ/mol，②CH4(g)+ H2O(g) =CO(g)+3H2(g) △H=+206.4kJ/mol，③CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H= -41.0 kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律可知①+3×②-3×③即得Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g) +6H2(g) △H= +714.6kJ/mol；②根據(jù)反應(yīng)方程式可知，固體質(zhì)量減少量即Fe2O3中氧元素的質(zhì)量，即n(O)=0.06mol，則生成n(CO)=0.06mol，所以υ(CO)== 0.0024mol/ (L·min)；③若該反應(yīng)在恒溫恒壓容器中進(jìn)行，a、當(dāng)c(CH4)=c(CO)時(shí)，只是說明生成的CO濃度等于剩余CH4的濃度，但它們的速率關(guān)系如何不確定，故a不能表明反應(yīng)已達(dá)平衡；b、固體的總質(zhì)量不變，說明正逆反應(yīng)速率相等，故b表明反應(yīng)已達(dá)平衡；c、v(CO)與v(H2)的比值始終都不變，但沒有指明速率的正逆方向，所以c不能表明反應(yīng)已達(dá)平衡；d、由于反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不相等，氣體的質(zhì)量也在變化，所以氣體的質(zhì)量和物質(zhì)的量都不再變化時(shí)，即平均相對分子質(zhì)量不變時(shí)，表明反應(yīng)已達(dá)平衡，故d正確。因此本題答案是bd；④由于該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)進(jìn)行的程度越大，K越大，則pK越小；若700℃時(shí)測得平衡時(shí)，c平衡(H2)=1.0mol·L-1，則c平衡 (CO)= 0.5mol·L-1，已知pK=0，即K=1，則有 =1，代入即得c平衡(CH4)=0.5mol·L-1，則c起始(CH4)=1.0mol·L-1，所以CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為50%。

(2)根據(jù)敘述可知，要生成FeCO3，HCO3-就要電離出H+，則H+與另一個(gè)HCO3-反應(yīng)生成CO2和H2O，所以反應(yīng)的離子方程式為Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+CO2↑+H2O(或Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+H2CO3)； 根據(jù)反應(yīng)方程式可得K=c(H2CO3)/[c(Fe2+)·c2(HCO3-)]= Ka2/[Ksp(FeCO3)·Ka1)]=4.08×106>105，所以該反應(yīng)容易發(fā)生。

(3)陽極為鐵，失去電子被氧化，生成FeO42-，電解質(zhì)溶液中的OH-移向陽極，所以陽極反應(yīng)式為Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O。