Question

高爐煉鐵是冶煉鐵的主要方法。
（1）從煉鐵高爐口排出的尾氣中含有一定量的有毒氣體              （填化學式），會污染空氣。100多年前，人們曾耗巨資改建高爐，結果尾氣中的該物質含量并未減少。高爐煉鐵的主要反應方程式為（設鐵礦石用磁鐵礦）                             。
（2）已知：①4Fe(s) + 3O₂=2Fe₂O₃(s) 　  ΔH₁　
②4Fe₃O₄(s)+O₂(g)=6Fe₂O₃(s)         ΔH₂ 
③3Fe(s)+2O₂(g)=Fe₃O₄(s)           ΔH₃ 
則ΔH₂＝　　　　　 （用含上述ΔH的代數式表示）。
（3）高鐵酸鈉（Na₂FeO₄）是鐵的一種重要化合物，可用電解法制備，陽極材料為鐵，其電解質溶液應選用_______ （填H₂SO₄、HNO₃、KOH、NaOH、Na₂SO₄）溶液，原因是_____________，陽極反應式為_________________。
（4）某溫度下，HX的電離平衡常數K為1×10^-5。計算該溫度下0.100mol/L的HX溶液的     H^＋濃度。（平衡時HX的濃度以0.100mol/L計，水的電離忽略不計，寫出計算過程。）

Answer 1

（16分）
（1）CO（2分）   Fe₃O₄(s)+4CO(g)3Fe(s)+4CO₂(g) （寫等號扣1分，不標狀態不扣分）（2分）
（2）3ΔH₁－4ΔH₃ （2分） 
（3）NaOH（2分） 酸性條件會反應，KOH會引進K元素雜質（合理也給分）（2分）
Fe－6e^－+ 8OH^－= FeO₄^2－+ 4H₂O （2分）
（4）                   HX       X^－   +   H⁺
初始濃度/ mol·L^－1： 0.100            0         0
變化濃度/ mol·L^－1：  a             a         a
平衡濃度/ mol·L^－1： 0.100            a        a   （1分）
K= ==1×10^－5 ∴a≈1×10^－3（1+1+1分）
（K的表達式正確得1分，算式正確得1分，計算結果正確得1分）。

試題分析：（1）高爐煉鐵原理為Fe₂O₃+3CO2Fe+3CO₂，為了提高氧化鐵的利用率及，一氧化碳一定過量，則尾氣中含有的有毒氣體是CO；產生上述現象的原因是高爐煉鐵是可逆反應，則用磁鐵礦為原料煉鐵的原理為Fe₃O₄(s)+4CO(g)3Fe(s)+4CO₂(g)；（2）為了約去Fe(s)，觀察3個熱化學方程式，發現①×3—③×4=②，則②的焓變等于①的焓變×3—③的焓變×4，即ΔH₂=3ΔH₁－4ΔH₃；（3）陽極的主要反應物和產物是鐵和高鐵酸根離子，即Fe→FeO₄^2—；鐵元素由0價升為+6價，升高總數為6，則失去6個電子，則Fe—6e^—→FeO₄^2—；由于鐵單質與酸能直接反應，因此不能選擇酸作電解質溶液，也不能用氫離子使左右電荷守恒，只能選堿作電解質溶液，但不能選擇KOH，否則引入鉀離子等雜質，根據電荷守恒，則Fe—6e^—+ 8OH^－→FeO₄^2—；根據氫、氧原子個數守恒，則陽極反應式為Fe－6e^－+ 8OH^－= FeO₄^2－+ 4H₂O；（4）依題意，該反應體系中各組分（起始、變化、平衡）濃度可以推導，則
HX       X^－   +   H⁺
初始濃度/ mol·L^－1          0.100           0         0
變化濃度/ mol·L^－1              a           a        a
平衡濃度/ mol·L^－1         0.100—a≈0.100     a      a
K= ==1×10^－5 ∴a≈1×10^－3