Question

13．金屬鎢用途廣泛，主要用于制造硬質或耐高溫的合金，以及燈泡的燈絲．高溫下，在密閉容器中用H₂還原WO₃可得到金屬鎢，其總反應為：
WO₃ （s）+3H₂ （g） $\stackrel{高溫}{?}$W （s）+3H₂O （g）
請回答下列問題：
（1）上述反應的化學平衡常數表達式為$\frac{{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
（2）某溫度下反應達平衡時，H₂與水蒸氣的體積比為2：3，則H₂的平衡轉化率為60%；隨溫度的升高，H₂與水蒸氣的體積比減小，則該反應為反應吸熱（填“吸熱”或“放熱”）．
（3）上述總反應過程大致分為三個階段，各階段主要成分與溫度的關系如下表所示：

溫度	25℃～550℃～600℃～700℃
主要成份	WO3      W2O5      WO2        W

第一階段反應的化學方程式為2WO₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$W₂O₅+H₂O；580℃時，固體物質的主要成分為W₂O₅、WO₂；假設WO₃完全轉化為W，則三個階段消耗H₂物質的量之比為1：1：4．
（4）已知：溫度過高時，WO₂ （s）轉變為WO₂（g）；
WO₂ （s）+2H₂ （g）═W （s）+2H₂O （g）；△H=+66.0kJ•mol^-1
WO₂ （g）+2H₂（g）═W （s）+2H₂O （g）；△H=-137.9kJ•mol^-1
則WO₂ （s）═WO₂ （g） 的△H=+203.9 kJ•mol^-1．
（5）鎢絲燈管中的W在使用過程中緩慢揮發，使燈絲變細，加入I₂可延長燈管的使用壽命，其工作原理為：W （s）+2I₂ （g）$?_{約3000℃}^{1400℃}$WI₄ （g）．下列說法正確的有ab．
a．燈管內的I₂可循環使用
b．WI₄在燈絲上分解，產生的W又沉積在燈絲上
c．WI₄在燈管壁上分解，使燈管的壽命延長
d．溫度升高時，WI₄的分解速率加快，W和I₂的化合速率減慢．

Answer 1

分析 （1）化學平衡常數，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比，注意固體、純液體不需要寫出；
（2）由反應方程式知，消耗的H₂與生成的水的物質的量相等，假定H₂與水蒸氣的物質的量分別為2mol、3mol，再根據轉化率定義計算；
隨溫度的升高，H₂與水蒸氣的體積比減小，說明平衡向正反應移動；
（3）由表中主要成分與溫度關系可知，第一階段反應為WO₃與H₂反應是W₂O₅，同時還生成H₂O，配平書寫方程式；
580℃時，溫度介于550℃～600℃，固體為W₂O₅、WO₂的混合物；
根據三個階段的方程式進行計算三個階段消耗H₂物質的量之比；
（4）已知：①WO₂（s）+2H₂（g）═W（s）+2H₂O （g）△H=+66.0kJ•mol^-1
②WO₂（g）+2H₂（g）═W（s）+2H₂O （g）△H=-137.9kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②可得：WO₂（s）═WO₂（g），反應熱也進行相應的運算；
（5）由化學方程式知，揮發的W與I₂結合形成氣態WI₄，由于氣體運動的結果，WI₄會與還沒有揮發的W接觸，在高溫下WI₄分解生成的W附著在還沒有揮發的W上，燈管壁溫度較低，WI₄不會分解，升高溫度，正逆反應速率都加快．

解答 解：（1）WO₃（s）+3H₂（g）$\stackrel{高溫}{?}$ W（s）+3H₂O（g）的平衡常數k=$\frac{{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（2）由反應方程式知，消耗的H₂與生成的水的物質的量相等，故H₂的平衡轉化率為$\frac{3mol}{2mol+3mol}$×100%=60%，
升高溫度，H₂與水蒸氣的體積比減小，說明升溫時平衡向右移動，故正反應為吸熱反應，
故答案為：60%；吸熱；
（3）由表中主要成分與溫度關系可知，第一階段反應為WO₃與H₂反應是W₂O₅，同時還生成H₂O，反應方程式為：
2WO₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$W₂O₅+H₂O，580℃時，溫度介于550℃～600℃，固體為W₂O₅、WO₂的混合物；
假定有2molWO₃，由2WO₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$W₂O₅+H₂O、W₂O₅+H₂?$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2WO₂+H₂O、WO₂+2H₂?$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ W+2H₂O可知，三個階段消耗的氫氣的物質的量之比為1mol：1mol：2mol×2=1：1：4，
故答案為：2WO₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$W₂O₅+H₂O；W₂O₅、WO₂；1：1：4；
（4）已知：①WO₂ （s）+2H₂ （g）?W （s）+2H₂O （g）；△H=+66.0kJ•mol^-1
②WO₂ （g）+2H₂?W （s）+2H₂O （g）；△H=-137.9kJ•mol^-1
①-②得則WO₂ （s）?WO₂ （g），故△H=66.0kJ•mol^-1-（-137.9kJ•mol^-1）=+203.9 kJ•mol^-1，
故答案為：+203.9 kJ•mol^-1；
（5）由所給化學方程式知，揮發的W與I₂結合形成氣態WI₄，由于氣體運動的結果，WI₄會與還沒有揮發的W接觸，在高溫下WI₄分解生成的W及I₂，生成W附著在還沒有揮發的W上，燈管內的I₂可循環使用，故a、b對；燈管壁溫度較低，WI₄不會分解，故c錯；升高溫度，也能加快W與I₂的反應速率，故d錯，
故答案為：a、b．

點評 本題考查化學平衡常數的書寫、反應熱的計算、化學平衡移動原理、化學平衡計算等，題目選擇的素材比較陌生，以考查學生的能力為主，難度中等．