Question

4．合成氨工業生產中所用的α-Fe催化劑的成分為FeO、Fe₂O₃．
（1）某FeO、Fe₂O₃混合物中，鐵、氧的物質的量之比為4：5，其中二價鐵與三價鐵的物質的量之比為1：1．
（2）當催化劑中二價鐵與三價鐵的物質的量之比為1：2時，其催化活性最高，此時該催化劑中鐵的質量分數為0.072（用小數表示，精確到0.01）．
（3）以Fe₂O₃為原料制備上述催化劑，可向其中加入適量炭粉，發生反應：2Fe₂O₃+C$\stackrel{高溫}{→}$4FeO+CO₂↑．為制得這種活性最高的催化劑，應向320g Fe₂O₃粉末中加入炭粉的質量為4g，生成實驗條件下CO₂的體積為8L（假設此實驗條件下，氣體摩爾體積為24L/mol）．

Answer 1

分析 （1）設出FeO、Fe₂O₃的物質的量，然后根據“鐵、氧的物質的量之比為4：5”列式計算出二者的物質的量之比，然后計算出二價鐵與三價鐵的物質的量之比；
（2）根據“二價鐵與三價鐵的物質的量之比為1：2”計算出FeO、Fe₂O₃的物質的量物質的量之比，然后計算出該催化劑中鐵的質量分數；
（3）根據n=$\frac{m}{M}$計算320g Fe₂O₃ 的物質的量，再根據當催化劑中Fe²⁺與Fe³⁺的物質的量之比為1：2時，其催化劑活性最高，計算FeO 的物質的量，根據方程式 計算碳的物質的量、生成二氧化碳的物質的量，根據m=nM計算碳粉質量，根據V=nV_m計算二氧化碳體積．

解答 解：（1）設FeO、Fe₂O₃的物質的量分別為x、y，鐵、氧的物質的量之比為4：5，則（x+2y）：（x+3y）=4：5，整理可得x：y=2：1，則二價鐵與三價鐵的物質的量之比為（2×1）：（1×2）=1：1，
故答案為：1：1；
（2）當催化劑中二價鐵與三價鐵的物質的量之比為1：2時，FeO、Fe₂O₃的物質的量物質的量之比=1：（2×$\frac{1}{2}$）=1：1，則該催化劑中鐵的質量分數為：$\frac{56×（1+2）}{72+160}$≈0.072，
故答案為：0.72；
（3）320g Fe₂O₃ 的物質的量為：$\frac{320g}{160g/mol}$=2mol，根據當催化劑中Fe²⁺與Fe³⁺的物質的量之比為1：2時，其催化劑活性最高，則FeO為2mol×2×$\frac{1}{3}$=$\frac{4}{3}$mol，
2Fe₂O₃+C$\stackrel{高溫}{→}$4FeO+CO₂↑
            1         4         1
       n（C）    $\frac{4}{3}$mol  n（CO₂）
n（C）=n（CO₂）=$\frac{\frac{4}{3}mol×1}{4}$=$\frac{1}{3}$mol，
故m（C）=$\frac{1}{3}$mol×12g/mol=4g，
該條件下V（CO₂）=$\frac{1}{3}$mol×24gL/mol=8L
故答案為：4；8L．

點評 本題考查物質的量的計算、混合物計算，屬于拼合型題目，側重考查學生分析解決問題的能力，注意掌握物質的量與氣體摩爾體積、摩爾質量等之間的關系．