Question

3．鐵元素是重要的金屬元素，單質鐵在工業和生活中使用得最為廣泛．鐵還有很多的化合物及其化學反應，如鐵與水的反應：3Fe（s）+4H₂O（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H
（1）已知：
①3Fe（s）+2O₂（g）?Fe₃O₄（s）△H ₁=-1118.4kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ/mol
③2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ/mol
則△H=-150.8KJ/mol（計算結果保留一位小數）．
（2）在t℃時，該反應的平衡常數K=16，在2L恒溫恒容密閉容器甲和乙中，分別按如表所示   加入物質，在t℃時反應經過一段時間后達到平衡．

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
甲/mol	1.0	1.0	1.0	1.0
乙/mol	1.0	1.5	1.0	1.0

①甲容器中H₂O的平衡轉化率為33.3%（結果保留一位小數）
②下列說法正確的是B（填序號）
A．若容器壓強恒定，則反應達到平衡狀態
B．若容器內密度恒定，則反應達到平衡狀態
C．甲容器中H₂O的平衡轉化率大于乙容器中H₂O的平衡轉化率
D．增加Fe₃O₄就能提高H₂O的轉化率
（3）若將（2）中裝置改為恒容絕熱（不與外界交換能量）的裝置，按下表充入起始物質，起始時與平衡后的各物質的量見表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
起始/mol	3.0	4.0	0	0
平衡/mol	m	n	p	q

若在達平衡后的裝置中繼續加入A、B、C三種狀況下的各物質，見下表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
A/mol	3.0	4.0	0	0
B/mol	0	0	1.0	4.0
C/mol	m	n	p	q

當上述可逆反應再一次達到平衡狀態后，將上述各裝置中H₂的百分含量按由大到小的順序排列B＞C＞A（用A、B、C表示）．
（4）一種以甲醇做燃料的電池示意圖如圖，寫出該電池放電時負極的電極反應式：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式的書寫方法，標注物質聚集狀態和對應焓變寫出，依據蓋斯定律計算反應的焓變；
（2）①根據初始的量，利用K的值結合三段式求算；
②可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等（同種物質）或正逆反應速率之比等于系數之比（不同物質），平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發生變化，由此衍生的一些物理量不變；
（3）恒容絕熱根據反應時溫度變化，判斷平衡移動，分析氫氣的百分含量；
（4）甲醇燃料在原電池中做負極失電子發生氧化反應．

解答 解：（1）已知：
①3Fe（s）+2O₂（g）═Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ/mol
根據蓋斯定律可知①-②×2得：
3Fe（s）+4H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H
△H=△H ₁-2△H₂=-1118.4kJ/mol+483.8kJ/mol×2=-150.8KJ/mol；
故答案為：-150.8KJ/mol；
（2）①設甲容器中達到平衡時轉化的水的物質的量為xmol，
               3Fe（s）+4H₂0（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）
起始量（mol）：1        1        1          1
轉化量（mol）：x                   x
平衡量（mol）：1-x               1+x
則K=$\frac{c{\;}^{4}（H{\;}_{2}）}{c{\;}^{4}（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{（1+x）{\;}^{4}}{（1-x）{\;}^{4}}$=16，所以x=$\frac{1}{3}$，則甲容器中H₂O的平衡轉化率為$\frac{\frac{1}{3}}{1}$×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；
②A、該反應為氣體體積不變的反應，所以容器內壓強始終不變，不能用壓強判斷平衡狀態，故A錯誤；
B、水蒸氣的密度與氫氣的密度不同，所以當容器內的密度不變時，即是平衡狀態，故B正確；
C、設乙中水轉化了xmol，則$\frac{（\frac{1+x}{2}）{\;}^{4}}{（\frac{1.5-x}{2}）{\;}^{4}}$=K=16，則x=0.667，所以乙中水的轉化率為$\frac{0.667}{1.5}$×100%=44.4%，所以大于甲中轉化率33.3%，故C錯誤；
D、增加固體的量平衡不移動，所以水的轉化率不變，故D錯誤；
故答案為：B；
（3）由于反應前后氣體體積相等，所以C條件下，平衡不移動，氫氣的體積分數與平衡是相同；A狀況下，反應正向進行生成氫氣，反應放出熱量使容器溫度升高，抑制反應繼續生成氫氣，故氫氣體積分數較低，B狀況下反應逆向進行生成Fe和水，是吸熱過程，使容器溫度降低，抑制反應繼續消耗氫氣，所以氫氣的體積分數較高，故H₂的百分含量按由大到小的順序排列：B＞C＞A；
故答案為：B＞C＞A；
（4）依據圖示分析，甲醇做負極失電子發生氧化反應，在熔融鹽做電解質中發生的電極反應為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O；
故答案為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O．

點評 本題考查了化學平衡常數、蓋斯定律、平衡狀態的判斷、原電池原理等，題目綜合性較強，難度較大，側重于對有關原理應用的考查．