Question

氧化鐵在工業上具有廣泛的應用．

I據報道，一定條件下利用Fe₂O₃與甲烷反應可制取“納米級”的金屬鐵．其反應如下：
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
（1）若反應在2L的密閉容器中進行，5min后達到平衡，測得反應生成Fe的質量為l.12g．則該段時間內CH₄的平均反應速率為

 

．
（2）反應達到平衡后，保持其他條件不變，僅改變某一相關元素，下列說法正確的是

 

（選填序號）．
a．若加入催化劑，v_正增大，平衡向右移動
b．若溫度升高，平衡常數K減小
c．若增大Fe₂O₃的量，平衡向右移動
d．若從反應體系中移走部分CO，可提高CH₄的轉化率
Ⅱ工業上利用硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₂O₃、A1₂O₃、SiO₂等）為原料提取Fe₂O₃，工藝流程如圖1：試回答下列問題：
（3）結合如圖2，判斷步驟ⅱ中調節溶液的pH范圍

 

．
（4）寫出步驟2中發生反應的離子方程式

 

，步驟2中分離出的濾渣的化學式是

 

．
（5）已知

微粒平衡	平衡常數
Fe3CO3（s）?Fe2+（aq）+CO   2- 3 （aq）	Ksp=3.2×10-11
H2CO3?H++HCO   - 3	Ka1=4.36×10-7
HCO   - 3 ?H++CO   2- 3	Ka2=4.68×10-11
2HCO   - 3 ?H2CO3+CO   2- 3	K=1.3×-4

計算Fe²⁺（aq）+2HCO

- 3

（aq）?FeCO₃（s）+H₂CO₃（aq）的平衡常數為

 

．
（6）在空氣中煅燒FeCO₃生成氧化鐵的化學方程式為

 

．
（7）結合所學化學知識，請你設計在實驗室里從上述的硫鐵礦燒渣中提取氧化鐵的另一種簡單方案

 

．

Answer 1

考點：物質分離和提純的方法和基本操作綜合應用,反應速率的定量表示方法,化學平衡的影響因素,化學平衡的計算,鐵的氧化物和氫氧化物

專題：實驗設計題,化學平衡專題

分析：Ⅰ．（1）鐵物質的量=

1.12g

26g/mol

=0.02mol，根據化學方程式定量關系計算甲烷消耗的物質的量，依據化學反應速率概念計算得到；
（2）依據化學反應特征和影響平衡因素，結合化學平衡移動原理分析；
Ⅱ．（3）依據圖象分析可知加入鐵是還原鐵離子，同時調節溶液PH除去鋁離子，亞鐵離子不生成沉淀，溶液PH不高于7；
（4）流程分析，步驟i是硫酸溶解后過濾除去不溶雜質，步驟ii是加入過量鐵調節溶液PH，過濾得到濾液除去過量鐵，步驟iii是過濾得到碳酸亞鐵沉淀；
（5）依據電離平衡常數結合反應平衡常數表達式計算推斷得到；
（6）在空氣中煅燒FeCO₃生成氧化鐵和二氧化碳，依據原子守恒配平書寫化學方程式；
（7）依據氧化鐵不溶于氫氧化鈉溶液，氧化鋁和二氧化硅能溶解于氫氧化鈉溶液設計實驗．

解答： 解：（1）若反應在2L的密閉容器中進行，5min后達到平衡，測得反應生成Fe的質量為1.12g，鐵物質的量=

1.12g

56g/mol

=0.02mol，結合化學方程式，Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），計算反應的甲烷物質的量為0.03mol，則該段時間內CH₄的平均反應速率=

0.03mol 2L

5min

=0.003mol/（L?min）；
故答案為：0.003mol?L^-1?min^-1；
（2）Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反應是氣體體積不變的吸熱反應
a．若加入催化劑，V_逆，v_正增大，速率同等程度增大，平衡不發生移動，故a錯誤；
b．反應是吸熱反應，若溫度升高，平衡正向進行，平衡常數K增大，故b錯誤；
c．若增大Fe₂O₃的量，氧化鐵是固體不允許平衡，平衡不移動，故d錯誤；
d．若從反應體系中移走部分CO，減少生成物，平衡正向進行，可提高CH₄的轉化率，故d正確；
故答案為：d；
（3）根據圖象可知，亞鐵離子開始沉淀時的pH值是7，所以要得到碳酸亞鐵，同時調節溶液PH除去鋁離子，亞鐵離子不生成沉淀，則溶液的pH不能高于7，且大于4.7，故答案為：4.7～7；
（4）判斷步驟ⅱ反應主要為Fe³⁺+2Fe═3Fe²⁺，調節溶液pH，得到純凈的Fe²⁺，此時鋁離子以Al（OH）₃沉淀形成去除，故答案為：Fe³⁺+2Fe═3Fe²⁺；Al（OH）₃；
（5）反應Fe²⁺（aq）+2HCO₃^-（aq）═FeCO₃（s）+H₂CO₃（aq）的平衡常數
K=

c(H2CO3)

c2(HCO3-)c(Fe2+)

=

c(H2CO3)c(CO32-)

c(Fe2+)c(CO32-)c2(HCO3-)

=

K

Ksp

=

1.3×10-4

3.2×10-11

=4.06×10⁶；
故答案為：4.06×10⁶；
（6）在空氣中煅燒FeCO₃生成氧化鐵和二氧化碳，依據原子守恒分析，生成氧化鐵同時生成二氧化碳，反應的化學方程式為：4FeCO₃+O₂

高溫  .

2Fe₂O₃+4CO₂，
故答案為：4FeCO₃+O₂

高溫  .

2Fe₂O₃+4CO₂；
（7）由于氧化鋁與二氧化硅均能和氫氧化鈉溶液反應，而氧化鐵和氫氧化鈉溶液不反應，因此要提取氧化鐵的實驗方案可以設計為取少量磁鐵礦燒渣，加入足量熱的濃氫氧化鈉溶液中，攪拌，過濾，洗滌烘干得到；
故答案為：取少量磁鐵礦燒渣，加入足量熱的濃氫氧化鈉溶液中，攪拌，過濾，洗滌烘干得到．

點評：本題較為綜合，涉及反應速率計算，化學平衡和反應速率的影響因素，方程式書寫方法，物質分離與提純，實驗方案設計，平衡常數的有關計算，為高頻考點，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，注意把握實驗的流程分析．題目難度中等．