Question

4．鐵及其化合物在日常生活、生產中應用廣泛，研究鐵及其化合物的應用意義重大．回答下列問題：
（1）已知高爐煉鐵過程中會發生如下反應：
FeO（s）+CO（g）═Fe（s）+CO₂（g）△H₁
Fe₂O₃（s）+$\frac{1}{3}$CO（g）═$\frac{2}{3}$Fe₃O₄（s）+$\frac{1}{3}$CO₂（g）△H₂
Fe₃O₄（s）+CO（g）═3Fe（s）+CO₂（g）H₃
Fe₂O₃（s）+CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）H₄
則△H₄的表達式為△H₂+$\frac{2}{3}$△H₃ （用含△H₁、△H₂、△H₃的代數式表示）．
（2）上述反應在高爐中大致分為三個階段，各階段主要成分與溫度的關系如下：

溫度	250℃	600℃	1000℃	2000℃
主要成分	Fe2O3	Fe3O4	FeO	Fe

1600℃時固體物質的主要成分為FeO和Fe，該溫度下若測得固體混合物中m（Fe）：m（O）=35：2，則FeO被CO還原為Fe的百分率為80%（設其它固體雜質中不含Fe、O元素）．
（3）鐵等金屬可用作CO與氫氣反應的催化劑．已知某種催化劑可用來催化反應    CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0．在T℃，10⁶Pa時將l mol CO和3mol H₂加入體積可變的密閉容器中．實驗測得CO的體積分數x（CO）如下表：

t/min	0	10	20	30	40	50
x（CO）	0.25	0.23	0.214	0.202	0.193	0.193

①能判斷CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）達到平衡的是bd（填序號）．
a．容器內壓強不再發生變化    b．混合氣體的密度不再發生變化
c．v_正（CO）=3v_逆（H₂）    d．混合氣體的平均相對分子質量不再發生變化
②達到平衡時CO的轉化率為37.1%；在T℃10⁶Pa時該反應的壓強平衡常數K_p（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）的計算式為$\frac{（\frac{0.371}{3.258}）^{2}}{0.193×（\frac{1.887}{3.258}）^{3}×1{0}^{12}P{a}^{2}}$．
③圖表示該反應CO的平衡轉化率與溫度、壓強的關系．圖中溫度T₁、T₂、T₃由高到低的順序是T₃＞T₂＞T₁，理由是正反應放熱，在相同壓強下，溫度降低，平衡向正反應方向移動，CO的轉化率越高．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律，將所給的反應②+③×$\frac{2}{3}$可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），反應熱做相應的變化即可；
（2）根據當1000℃時為FeO，在2000℃時為Fe來分析；設混合物中FeO的物質的量為xmol，Fe的物質的量為ymol，則有：$\frac{x+y}{x}$=$\frac{\frac{35}{56}}{\frac{2}{16}}$，即可求的x：y；
（3）①當一個量，在反應達平衡之前在變化，而后來不變了，則能說明反應達平衡；
②設反應達平衡時CO轉化了xmol，根據三段式結合平衡時CO的體積分數來計算；在T℃10⁶Pa時該反應的壓強平衡常數K_p$\frac{p（C{H}_{4}）•p（{H}_{2}O）}{p（CO）•{p}^{3}（{H}_{2}）}$來計算；
③反應CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0，溫度越高，則平衡左移，CO的平衡轉化率越低．

解答 解：（1）已知反應：Fe₂O₃（s）+$\frac{1}{3}$CO（g）═$\frac{2}{3}$Fe₃O₄（s）+$\frac{1}{3}$CO₂（g）△H₂  ②
Fe₃O₄（s）+4CO（g）═3Fe（s）+4CO₂（g）△H₃ ③
，根據蓋斯定律，將所給的反應②+③×$\frac{2}{3}$可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），故△H₄=△H₂+$\frac{2}{3}$△H₃ ，故答案為：△H₂+$\frac{2}{3}$△H₃ ；
（2）根據當1000℃時為FeO，在2000℃時為Fe，故在1600℃時固體物質的主要成分為FeO和Fe的混合物；設混合物中FeO的物質的量為xmol，Fe的物質的量為ymol，則有：$\frac{x+y}{x}$=$\frac{\frac{35}{56}}{\frac{2}{16}}$，即可求的x：y=1：4，故剩余的FeO和被還原為鐵的FeO的物質的量之比為1：4，則可知被還原的FeO的百分比為$\frac{4}{1+4}$×100%=80%，故答案為：FeO和Fe；80%；
（3）①a．由于此容器是個體積可變的容器，故為恒容的容器，則容器內壓強一直不變，故不能作為反應達平衡的標志，故a錯誤；
 b．此反應在平衡前，氣體的質量不變，但體積變小，故密度變大，故當混合氣體的密度不再發生變化時能說明反應達平衡，故b正確；
c．反應達平衡的根本標志是v_正=v_逆，所以3v_正（CO）=v_逆（H₂），故c錯誤；
d．在反應達平衡之前，混合氣體的質量不變，但物質的量變小，故混合氣體的平均相對分子質量在變小，故當不變時能說明反應達平衡，故d正確．
故選bd；
②設反應達平衡時CO轉化了xmol，則根據三段式可知：
            CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
初始（n）：1mol     3mol      0         0
△n：xmol    3xmol     xmol      xmol
平衡（n）：（1-x）mol（3-3x）mol   xmol      xmol
結合平衡時CO的體積分數為0.193可知：$\frac{1-x}{4-2x}$=0.193，解得x=0.371，故達到平衡時CO的轉化率為=$\frac{0.371mol}{1mol}×100%=37.1%$；
在T℃10⁶Pa時該反應的壓強平衡常數K_p$\frac{p（C{H}_{4}）•p（{H}_{2}O）}{p（CO）•{p}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{0.371}{3.258}）^{2}}{0.193×（\frac{1.887}{3.258}）^{3}×1{0}^{12}P{a}^{2}}$，故答案為：37.1%；$\frac{（\frac{0.371}{3.258}）^{2}}{0.193×（\frac{1.887}{3.258}）^{3}×1{0}^{12}P{a}^{2}}$；
③反應CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0，溫度越高，則平衡左移，CO的平衡轉化率越低，根據圖象可知，溫度T₃＞T₂＞T₁，
故答案為：T₃＞T₂＞T₁；正反應放熱，在相同壓強下，溫度降低，平衡向正反應方向移動，CO的轉化率越高．

點評 本題綜合考查了蓋斯定律的應用、平衡常數的求算和圖象的應用，綜合性較強，一直是高考的常見題型，難度較大．