Question

15．碳酸亚铁（FeCO₃）是菱铁矿的主要成分，将其隔绝空气加热到200℃开始分解为FeO和CO₂，若将其在空气中高温煅烧则生成Fe₂O₃．

（1）已知25℃，101kPa时：
①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1
②铁及其化合物反应的焓变示意图如图1：
请写出FeCO₃在空气中煅烧生成Fe₂O₃的热化学方程式4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ•mol^-1．
（2）据报道，一定条件下Fe₂O₃可被甲烷还原为“纳米级”的金属铁．其反应为：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H
①反应在3L的密闭容器中进行，2min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少4.8g，则该段时间内用H₂表示该反应的平均反应速率为0.03mol•L^-1•min^-1．
②将一定量的Fe₂O₃（s）和3CH₄（g）置于恒温恒容密闭容器中，在一定条件下反应，能说明反应达到平衡状态的是BC．
A．CO和H₂的物质的量之比为1：2               B．混合气体的密度不再改变
C．铁的物质的量不再改变                       D． v_正（CO）=2v_逆（H₂）
③在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量“纳米级”的金属铁，然后分别充入a molCO和2amol H₂，三个容器的反应温度分别为T₁、T₂、T₃且恒定不变，在其他条件相同的情况下，实验测得反应均进行到t min时CO的体积分数如图2所示，此时Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个容器中一定处于化学平衡状态的是III；上述反应的△H大于0（填“大于”或“小于”）．
④甲烷经重整催化作用提供反应气的燃料电池如图3（以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃为电解质）．则正极电极反应式为O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-，以此电池为电源电解精炼铜，当有0.1mol e^-转移时，有＜3.2g铜溶解（填“＞”、
“＜”或“=”）．
（3）Fe₂O₃用CO还原焙烧的过程中，反应物、生成物和温度之 间的关系如图4所示．
若在800℃，混合气体中CO₂体积分数为40%的条件下，Fe₂O₃用CO还原焙烧，写出反应的化学方程式为Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂．
（4）Fe₂O₃还可以用来制备FeCl₃，通过控制条件FeCl₃可生成聚合物，其离子方程式为：x Fe³⁺+y H₂O═Fe_x（OH）_y^（3x-y）++y H⁺下列措施不能使平衡正向移动的是B（填序号）
A．加水稀释   B．加入少量铁粉     C．升温     D．加入少量Na₂CO₃．

Answer 1

分析 （1）图1分析书写热化学方程式，结合C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1和盖斯定律计算得到FeCO₃在空气中煅烧生成Fe₂O₃的热化学方程式；
（2）①2min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少4.8g，依据化学方程式反应前后质量变化计算生成氢气的物质的量，根据反应速率概念计算得到氢气的反应速率；
②反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分浓度保持不变，据此分析；
③2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）═Fe₂O₃（s）+3CH₄（g），根据图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，CO百分含量，由小到大，Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，结合化学平衡移动分析解答；根据温度对平衡的影响来判断，升高温度平衡逆向移动，CO的转化率减小，据此判断Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H大小；
④该燃料电池中，通入甲烷的一极为原电池的负极，发生氧化反应，根据图示信息知道负极电极反应式为：H₂-2e^-+CO₃^2-=CO₂+H₂O，通入空气和CO₂的混合气体一极为原电池的正极，发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
（3）800℃时，混合气体中CO₂体积分数为40%时，图象分析可知Fe₂O₃用CO还原得到氧化亚铁和一氧化碳；
（4）A．加水稀释，则水解平衡正向移动；
B．固体不能影响化学平衡；
C．控制条件使平衡正向移动，水解为吸热反应，所以升温平衡正向移动；
D．加入碳酸钠，则消耗氢离子，平衡正向移动．

解答 解：（1）①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1
铁及其化合物反应的焓变示意图如图1：写出热化学方程式为：
②2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）=2FeCO₃（s）△H=+1480KJ/mol，
③4Fe（s）+3O₂（g）=2Fe₂O₃（s）△H=-1648KJ/mol
盖斯定律计算①×4-（②×2-③）得到FeCO₃在空气中煅烧生成Fe₂O₃的热化学方程式：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260 kJ•mol^-1，
故答案为：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260 kJ•mol^-1；
（2）①Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）
       1mol                                   6mol        
       $\frac{4.8g}{160g/mol}$                                n  
n=0.18mol
氢气表示的反应速率=$\frac{\frac{0.18mol}{3L}}{2min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.03 mol•L^-1•min^-1； 
②A．反应中生成CO和H₂的物质的量之比始终为1：2，不能说明反应正逆反应速率相同，故A错误；
B．反应前后气体质量不变，气体体积不变，当混合气体的密度不再改变是没反应达到平衡状态，故B正确；
C．铁的物质的量不再改变说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，为正反应速率之比，2 v_正（CO）=v_逆（H₂）说明反应达到平衡状态，v_正（CO）=2v_逆（H₂）不能说明反应正逆反应速率相同，故D错误；
故答案为：BC；
③在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量“纳米级”的金属铁，然后分别充入a molCO和2amol H₂，2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）═Fe₂O₃（s）+3CH₄（g），根据图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，CO百分含量，由小到大依次为：Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，T₁中的状态转变成T₂中的状态，CO百分含量减小，说明平衡正向移动，说明T₁未达平衡状态，T₂中的状态转变成T₃中的平衡状态，CO百分含量增大，说明平衡逆向移动，说明T₂可能达平衡状态，一定达到化学平衡状态的是Ⅲ，2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）═Fe₂O₃（s）+3CH₄（g），该反应正反应为放热反应，上述反应Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）的△H大于0，
故答案为：III，大于；   
④根据电极反应：负极电极反应式为：H₂-2e^-+CO₃^2-=CO₂+H₂O，通入空气和CO₂的混合气体一极为原电池的正极，发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，电解精炼铜，阴极上铜离子得到电子生成铜，电极反应Cu²⁺+2e^-=Cu，当电路有0.1mol e^-转移反应生成铜0.05mol，如果全部是铜放电，则溶解的铜的质量=0.05mol×64g/mol=3.2g，粗铜有比铜更活泼的金属首先放电，所以溶解的铜小于3.2g，
故答案为：O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-，＜；
（3）800℃时，混合气体中CO₂体积分数为40%时，由图可知，“800℃、CO₂体积分数为40%”时，在C区，此时为FeO的稳定区域，故产物为FeO，Fe₂O₃用CO还原得到氧化亚铁和一氧化碳，反应的化学方程式为：Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂，
故答案为：Fe₂O₃+CO $\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$ 2FeO+CO₂；    
（4）A．加水稀释，促进水解平衡正向移动，故A不符合；
B．固体不能影响化学平衡，加入少量铁粉平衡不变，故B符合；
C．水解为吸热反应，所以升温平衡正向移动，故C不符合；
D．加入碳酸钠，和水解生成的氢离子反应消耗氢离子，促进平衡正向移动，故D不符合；
故答案为：B；

点评 本题考查了图象分析判断的方法应用，主要是热化学方程式书写、平衡计算和平衡标志分析、原电池原理的分析判断和电极反应的分析判断，掌握基础是解题的关键，题目难度中等．