Question

10．鐵及其化合物在日常生活、生產(chǎn)中應用廣泛，研究鐵及其化合物的應用意義重大．請回答下列問題：
（1）已知高爐煉鐵過程中會發(fā)生如下反應：
FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）       K₁△H₁=a KJ•mol^-1
3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）  K₂△H₂=b KJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）?3FeO（s）+CO₂（g）    K₃△H₃=c KJ•mol^-1
①Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=$\frac{6a+b+2c}{3}$KJ•mol^-1（用含a、b、c的代數(shù)式表示）．
②上述反應對應的平衡常數(shù)K₁、K₂、K₃隨溫度變化的曲線如圖1所示．則a＞b，（填“＞”、“＜”或“=”），理由是由圖可知，隨著溫度的升高，K₁增大、K₂減小，則△H₁＞0、△H₂＜0，所以a＞b．
（2）鐵的氧化物粉末和Al粉在鎂條的引燃下可以發(fā)生鋁熱反應，如圖2，下列反應速率（v）和溫度（T）的關系示意圖中與鋁熱反應最接近的是b．

（3）鐵等金屬可用作CO與H₂反應的催化劑：CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0．在T℃，將l mol CO和3mol H₂加入2L的密閉容器中．實驗測得n（CO）隨時間的變化如表：

t/min	0	10	20	30	40	50
n（CO）/mol	1.0	0.70	0.45	0.25	0.10	0.10

①下列能判斷該反應達到平衡的標志是ad（填序號）．
a．容器內壓強不再發(fā)生變化   b．混合氣體的密度不再發(fā)生變化
c．v_正（CO）=3v_逆（H₂）     d．混合氣體的平均相對分子質量不再發(fā)生變化
②在0～20min內v （H₂）=0.04mol•L^-1•min^-1；在T℃時該反應的平衡常數(shù)K=1200．
③圖3表示該反應中CO的轉化率與溫度、壓強的關系．圖中壓強P₁、P₂、P₃由高到低的順序是P₁＞P₂＞P₃．

Answer 1

分析 （1）①已知FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）①K₁△H₁=a kJ•mol^-1
3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）②K₂△H₂=b kJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）?3FeO（s）+CO₂（g）③K₃△H₃=ckKJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律①×2+②×$\frac{1}{3}$+③×$\frac{2}{3}$可得Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），據(jù)此計算該反應的△H；
②根據(jù)圖1中溫度變化對平衡常數(shù)的影響分析反應熱，然后判斷a、b的大小；
（2）鋁熱反應需要加熱反應才能開始，鋁熱反應為放熱反應，溫度升高化學反應速率加快，據(jù)此進行解答；
（3）①反應CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）為氣體體積縮小的可逆反應，達到平衡時正逆反應速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據(jù)此進行判斷；
②根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算在0～20min內v （H₂）；列出平衡常數(shù)三段式，根據(jù)化學平衡常數(shù)的表達式計算；
③該反應為氣體體積縮小的反應，壓強越大CO的轉化率越大，據(jù)此判斷各壓強大�。�

解答 解：（1）①已知FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）①K₁△H₁=a kJ•mol^-1
3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）②K₂△H₂=b kJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）?3FeO（s）+CO₂（g）③K₃△H₃=c kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律①×2+②×$\frac{1}{3}$+③×$\frac{2}{3}$可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），△H=（a kJ•mol^-1）×2+（bkJ•mol^-1）×$\frac{1}{3}$+（ckJ•mol^-1）×$\frac{2}{3}$=（$\frac{6a+b+2c}{3}$） kJ•mol^-1，
故答案為：$\frac{6a+b+2c}{3}$；
②由圖可知，隨著溫度的升高，K₁增大、K₂減小，則反應FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）為吸熱反應，其△H₁＞0，3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）為放熱反應，△H₂＜0，所以a＞b，
故答案為：＞；由圖可知，隨著溫度的升高，K₁增大、K₂減小，則△H₁＞0、△H₂＜0，所以a＞b；
（2）因通過加熱引發(fā)鋁熱反應，所以開始速率為零，一旦反應開始，反應不斷放熱，溫度不斷升高，化學反應速率加快，故b正確，
故答案為：b；
（3）①發(fā)生反應為：CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
a．該反應是氣體體積縮小的反應，當容器內壓強不再發(fā)生變化時，說明正逆反應速率相等，達到平衡狀態(tài)，故a正確；
b．該反應前后都是氣體，氣體總質量不變，容器容積不變，則密度始終不變，不能根據(jù)密度判斷平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．v_正（CO）=3v_逆（H₂），表示的是正逆反應速率，但是不滿足化學計量數(shù)關系，故c錯誤；    
d．混合氣體的平均相對分子質量不再發(fā)生變化
故答案為：ad；  
②20min時n（CO）=0.45mol，CO的物質的量變化為：1mol-0.45mol=0.55mol，該時間段內消耗氫氣的物質的量為：0.55mol×3=1.65mol，則在0～20min內v （H₂）=$\frac{\frac{1.65mol}{2L}}{20min}$≈0.04 mol•L^-1•min^-1；
根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，平衡時n（CO）=0.1mol，則：
         CO（g）+3H₂ （g）?CH₄（g）+H₂O（g）
初始1mol          3mol              0              0
轉化0.9mol     2.7mol          0.9mol        0.9mol
平衡0.1mol     0.3mol         0.9 mol        0.9mol
平衡時各組分濃度為：c（CO）=$\frac{0.1mol}{2L}$=0.05mol/L、c（H₂）=$\frac{0.3mol}{2L}$=0.15mol/L、c（CH₄）=$\frac{0.9mol}{2L}$=0.45mol/L、c（H₂O）=$\frac{0.9mol}{2L}$=0.45mol/L，則該穩(wěn)定性該反應的平衡常數(shù)K=$\frac{0.45×0.45}{0.05×0.1{5}^{3}}$=1200，
故答案為：0.04 mol•L^-1•min^-1；1200；     
③反應CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）為氣體體積縮小的反應，增大壓強后平衡向著正向移動，CO的轉化率增大，即壓強越大CO的轉化率越大，圖3中CO的轉化率大小為：P₁＞P₂＞P₃，則壓強大小為：P₁＞P₂＞P₃，
故答案為：P₁＞P₂＞P₃．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡計算、化學反應速率的堿性、化學平衡狀態(tài)的判斷、蓋斯定律的應用等知識，明確化學平衡及其影響為解答關鍵，注意掌握三段式在化學平衡計算中的應用方法，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生的分析、理解能力及化學計算能力．