Question

5．高爐煉鐵是冶煉鐵的主要方法，發生的主要反應為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe（s）+3CO₂（g）
△H=a kJ•mol^-1．
（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（s，石墨）=2Fe（s）+3CO（g）
△H₁=+489.0kJ•mol^-1；
②C（s，石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1．則a=-28.5．
（2）冶煉鐵反應的平衡常數表達式K=$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$，溫度升高后，K值減小（填“增大”、“不變”或“減小”）．
（3）在T℃時，該反應的平衡常數K=64，在2L恒容密閉容器甲和乙中，分別按下表所示加入物質，反應經過一段時間后達到平衡．

	Fe2O3	CO	Fe	CO2
甲/mol	1.0	1.0	1.0	1.0
乙/mol	1.0	2.0	1.0	1.0

①甲容器中CO的平衡轉化率為60%．
②下列說法正確的是ad（填字母）．
a．若容器內氣體密度恒定時，標志反應達到平衡狀態
b．增加Fe₂O₃的量，可以提高CO的轉化率
c．甲容器中CO的平衡轉化率大于乙的平衡轉化率
d．甲、乙容器中，CO的平衡濃度之比為2：3
（4）采取一定措施可防止鋼鐵腐蝕．下列裝置中的燒杯里均盛有等濃度、等體積的NaCl溶液．
①在a、b、c裝置中能保護鐵的是bc（填字母）．
②若用d裝置保護鐵，X極的電極材料應是鋅（填名稱）．

（5）25℃時有關物質的溶度積如下：K_sp[Mg（OH）₂]=5.61×10^-12，K_sp[Fe（OH）₃]=2.64×10^-39．25℃時，向含有Mg²⁺、Fe³⁺的溶液中滴加NaOH溶液，當兩種沉淀共存且溶液的pH=8時，c（Mg²⁺）：c（Fe³⁺）=2.215×10²¹．

Answer 1

分析 （1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g），根據蓋斯定律計算反應的焓變；
（2）化學平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度系數次方的乘積}{反應物平衡濃度系數次方的乘積}$，根據溫度與平衡常數的關系來回答；
（3）①濃度商Qc=1，小于平衡常數，反應向正反應進行，令平衡時參加反應的CO為xmol，利用三段式表示出平衡時各組分的物質的量，根據平衡常數列方程計算，在結合轉化率定義計算；
 ②a．反應前后氣體質量變化，體積不變，若容器內氣體密度恒定時，標志反應達到平衡狀態；
b．固體量增加不影響化學平衡，增加Fe₂O₃不能提高CO的轉化率；
c．乙相當于在甲平衡的基礎上加入1molCO，反應速率加快；
d．乙容器內濃度商Qc=0.125，小于平衡常數，反應向正反應進行，令平衡時乙中參加反應的CO為ymol，利用三段式表示出平衡時各組分的物質的量，根據平衡常數列方程計算，結合①中的計算判斷；
（4）①原電池的正極和電解池的陰極可以得到保護；
②裝置為原電池，若用d裝置保護鐵，X極的電極材料應比鐵活潑；
（5）根據溶度積常數計算．

解答 解：（1）①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1；①-②×3得到Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g），根據蓋斯定律得到反應的焓變=+489.0kJ•mol^-1-3×（+172.5kJ•mol^-1）=-28.5kJ•mol^-1．
即a=-28.5，故答案為：-28.5；
（2）Fe₂O₃（s）+3CO（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe（s）+3CO₂（g）的平衡常數K=$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$，該反應是放熱反應，升高溫度，化學平衡正向移動，該反應的平衡常數K值將減小，故答案為：$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$；減小；
（3）①在T℃時，該反應的平衡常數K=64，甲容器內濃度商Qc=1，小于平衡常數，反應向正反應進行，設消耗一氧化碳物質的量為x，則：
   Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）
起始量（mol）：1                  1
變化量（mol）：x                  x
平衡量（mol）：1-x                1+x
反應前后氣體體積不變，可以用物質的量代替濃度計算平衡常數，故$\frac{（1+x）^{3}}{（1-x）^{3}}$=64，解得x=0.6，
故CO的轉化率=$\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%
故答案為：60%；            
 ②a．反應前后氣體質量變化，體積不變，若容器內氣體密度恒定時，標志反應達到平衡狀態，故a正確；
b．Fe₂O₃為固體量，增加其用量，不影響化學平衡移動，不能提高CO的轉化率，故b錯誤；
c．乙相當于在甲平衡的基礎上加入1molCO，反應速率加快，故乙容器中CO平衡時的速率更高，故c錯誤；
d．乙容器內濃度商Qc=0.125，小于平衡常數，反應向正反應進行，令平衡時乙中參加反應的CO為ymol，則：
            Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）
起始量（mol）：2                 1
變化量（mol）：y                 y
平衡量（mol）：2-y               1+y
反應前后氣體體積不變，可以用物質的量代替濃度計算平衡常數，故$\frac{（1+y）^{3}}{（2-y）^{3}}$=64，解得y=1.4，故平衡時乙容器內CO為2mol-1.4mol=0.6mol，由①中的計算可知平衡時，甲中CO為1mol-0.6mol=0.4mol，故甲、乙容器中CO的平衡濃度之比為0.4mol：0.6mol=2：3，故d正確；
故答案為：ad；
（4）①a裝置中鐵連接電源的正極，為陽極，發生氧化反應，加速其腐蝕，a錯誤；b裝置中鐵連接電源的負極，為陰極，能保護鐵不被腐蝕，是外接電源的陰極保護法，b正確；c裝置中，鋅比鐵活潑，鋅作負極，鐵被保護，是犧牲陽極的陰極保護法，c正確；故答案為：bc；
②若d裝置能夠保護鐵，則X的活潑性應比鐵活潑，使右側裝置為原電池，左側裝置為電解池，構成外接電源的陰極保護法，X可以是Zn、Al等活潑的金屬，故答案為：鋅；
（5）根據氫氧化鎂和氫氧化鐵的溶解平衡以及溶度積表達式，則當兩種沉淀共存且溶液的pH=8時，
c（Mg²⁺）=$\frac{{K}_{sp}}{c（O{H}^{-}）^{2}}$=$\frac{5.61×1{0}^{-12}}{1{0}^{-12}}$═5.61mol/L，
c（Fe³⁺）=$\frac{{K}_{sp}}{c（O{H}^{-}）^{3}}$=$\frac{2.64×1{0}^{-39}}{1{0}^{-18}}$=2.64×10^-21mol/L，
所以 c（Mg²⁺）：c（Fe³⁺）=5.61：2：64×10^-21=2.215×10²¹；
故答案為：2.215×10²¹．

點評 本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律計算應用，平衡常數計算應用，化學平衡三段式列式計算方法，原電池原理的分析判斷，溶度積常數的計算，題目難度中等．