Question

【題目】鐵的化合物在生產生活和科學實驗中應用廣泛：

（1）一定條件下Fe2O3與甲烷反應制取納米級鐵,同時生成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Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)的△H=________。

②若該反應在5L的密閉容器中進行,5min后達到平衡,測得體系中固體質量減少0.96g，則該段時間內CO的平均反應速率為________。

③若該反應在恒溫恒壓容器中進行,能表明該反應達到平衡狀態的是________(選填序號)。

a．c(CH2)=c(CO) b．固體的總質量不變

c．v(CO)與v(H2)的比值不變 d．混合氣體的平均相對分子質量不變

④該反應的化學平衡常數的負對數pK隨反應溫度T的變化曲線如下圖。

試用平衡移動原理解釋該曲線的變化規律________________。若700℃時測得平衡時,H2濃度為1.0mol·L-1,則CH4的平衡轉化率為_________。

（2）菱鐵礦的主要成分是FeCO3,實驗室中可以通過FeSO4與足量NaHCO3溶液混合制得FeCO3,有關反應的離子方程式為________________________。已知Ksp[FeCO3]=3.2×10-11,H2CO3的Ka1=4.30×10-7,Ka2=5.61×10-11。試通過以上數據簡要計算說明該反應能進行的原因_______________________________。

（3）Na2FeO4是一種高效凈水劑,工業上以Fe為陽極,NaOH為電解質溶液進行電解制備,寫出陽極的電極反應式_________________________________________。

Answer 1

【答案】 +714.6kJ/mol 0.0024mol/(L·min) bd 該反應為吸熱反應,溫度越高反應進行的程度越大,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,所以該反應易發生 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根據反應方程式可知，固體質量減少量即Fe2O3中氧元素的質量，即n(O)=0.06mol，則生成n(CO)=0.06mol，所以υ(CO)== 0.0024mol/ (L·min)；③若該反應在恒溫恒壓容器中進行，a、當c(CH4)=c(CO)時，只是說明生成的CO濃度等于剩余CH4的濃度，但它們的速率關系如何不確定，故a不能表明反應已達平衡；b、固體的總質量不變，說明正逆反應速率相等，故b表明反應已達平衡；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不能表明反應已達平衡；d、由于反應前后氣體的物質的量不相等，氣體的質量也在變化，所以氣體的質量和物質的量都不再變化時，即平均相對分子質量不變時，表明反應已達平衡，故d正確。因此本題答案是bd；④由于該反應為吸熱反應，溫度越高反應進行的程度越大，K越大，則pK越小；若700℃時測得平衡時，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的平衡轉化率為50%。

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

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