Question

10．铁及其化合物在日常生活、生产中应用广泛，研究铁及其化合物的应用意义重大．请回答下列问题：
（1）已知高炉炼铁过程中会发生如下反应：
FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）       K₁△H₁=a KJ•mol^-1
3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）  K₂△H₂=b KJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）?3FeO（s）+CO₂（g）    K₃△H₃=c KJ•mol^-1
①Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=$\frac{6a+b+2c}{3}$KJ•mol^-1（用含a、b、c的代数式表示）．
②上述反应对应的平衡常数K₁、K₂、K₃随温度变化的曲线如图1所示．则a＞b，（填“＞”、“＜”或“=”），理由是由图可知，随着温度的升高，K₁增大、K₂减小，则△H₁＞0、△H₂＜0，所以a＞b．
（2）铁的氧化物粉末和Al粉在镁条的引燃下可以发生铝热反应，如图2，下列反应速率（v）和温度（T）的关系示意图中与铝热反应最接近的是b．

（3）铁等金属可用作CO与H₂反应的催化剂：CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0．在T℃，将l mol CO和3mol H₂加入2L的密闭容器中．实验测得n（CO）随时间的变化如表：

t/min	0	10	20	30	40	50
n（CO）/mol	1.0	0.70	0.45	0.25	0.10	0.10

①下列能判断该反应达到平衡的标志是ad（填序号）．
a．容器内压强不再发生变化   b．混合气体的密度不再发生变化
c．v_正（CO）=3v_逆（H₂）     d．混合气体的平均相对分子质量不再发生变化
②在0～20min内v （H₂）=0.04mol•L^-1•min^-1；在T℃时该反应的平衡常数K=1200．
③图3表示该反应中CO的转化率与温度、压强的关系．图中压强P₁、P₂、P₃由高到低的顺序是P₁＞P₂＞P₃．

Answer 1

分析 （1）①已知FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）①K₁△H₁=a kJ•mol^-1
3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）②K₂△H₂=b kJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）?3FeO（s）+CO₂（g）③K₃△H₃=ckKJ•mol^-1
根据盖斯定律①×2+②×$\frac{1}{3}$+③×$\frac{2}{3}$可得Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），据此计算该反应的△H；
②根据图1中温度变化对平衡常数的影响分析反应热，然后判断a、b的大小；
（2）铝热反应需要加热反应才能开始，铝热反应为放热反应，温度升高化学反应速率加快，据此进行解答；
（3）①反应CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）为气体体积缩小的可逆反应，达到平衡时正逆反应速率相等，各组分的浓度、百分含量不再变化，据此进行判断；
②根据v=$\frac{△c}{△t}$计算在0～20min内v （H₂）；列出平衡常数三段式，根据化学平衡常数的表达式计算；
③该反应为气体体积缩小的反应，压强越大CO的转化率越大，据此判断各压强大小．

解答 解：（1）①已知FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）①K₁△H₁=a kJ•mol^-1
3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）②K₂△H₂=b kJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）?3FeO（s）+CO₂（g）③K₃△H₃=c kJ•mol^-1
根据盖斯定律①×2+②×$\frac{1}{3}$+③×$\frac{2}{3}$可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），△H=（a kJ•mol^-1）×2+（bkJ•mol^-1）×$\frac{1}{3}$+（ckJ•mol^-1）×$\frac{2}{3}$=（$\frac{6a+b+2c}{3}$） kJ•mol^-1，
故答案为：$\frac{6a+b+2c}{3}$；
②由图可知，随着温度的升高，K₁增大、K₂减小，则反应FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）为吸热反应，其△H₁＞0，3Fe₂O₃（s）+CO（g）?2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）为放热反应，△H₂＜0，所以a＞b，
故答案为：＞；由图可知，随着温度的升高，K₁增大、K₂减小，则△H₁＞0、△H₂＜0，所以a＞b；
（2）因通过加热引发铝热反应，所以开始速率为零，一旦反应开始，反应不断放热，温度不断升高，化学反应速率加快，故b正确，
故答案为：b；
（3）①发生反应为：CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
a．该反应是气体体积缩小的反应，当容器内压强不再发生变化时，说明正逆反应速率相等，达到平衡状态，故a正确；
b．该反应前后都是气体，气体总质量不变，容器容积不变，则密度始终不变，不能根据密度判断平衡状态，故b错误；
c．v_正（CO）=3v_逆（H₂），表示的是正逆反应速率，但是不满足化学计量数关系，故c错误；    
d．混合气体的平均相对分子质量不再发生变化
故答案为：ad；  
②20min时n（CO）=0.45mol，CO的物质的量变化为：1mol-0.45mol=0.55mol，该时间段内消耗氢气的物质的量为：0.55mol×3=1.65mol，则在0～20min内v （H₂）=$\frac{\frac{1.65mol}{2L}}{20min}$≈0.04 mol•L^-1•min^-1；
根据表中数据可知，平衡时n（CO）=0.1mol，则：
         CO（g）+3H₂ （g）?CH₄（g）+H₂O（g）
初始1mol          3mol              0              0
转化0.9mol     2.7mol          0.9mol        0.9mol
平衡0.1mol     0.3mol         0.9 mol        0.9mol
平衡时各组分浓度为：c（CO）=$\frac{0.1mol}{2L}$=0.05mol/L、c（H₂）=$\frac{0.3mol}{2L}$=0.15mol/L、c（CH₄）=$\frac{0.9mol}{2L}$=0.45mol/L、c（H₂O）=$\frac{0.9mol}{2L}$=0.45mol/L，则该稳定性该反应的平衡常数K=$\frac{0.45×0.45}{0.05×0.1{5}^{3}}$=1200，
故答案为：0.04 mol•L^-1•min^-1；1200；     
③反应CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）为气体体积缩小的反应，增大压强后平衡向着正向移动，CO的转化率增大，即压强越大CO的转化率越大，图3中CO的转化率大小为：P₁＞P₂＞P₃，则压强大小为：P₁＞P₂＞P₃，
故答案为：P₁＞P₂＞P₃．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算、化学反应速率的碱性、化学平衡状态的判断、盖斯定律的应用等知识，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握三段式在化学平衡计算中的应用方法，试题知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及化学计算能力．