Question

4．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．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）△H₁
Fe₂O₃（s）+$\frac{1}{3}$CO（g）═$\frac{2}{3}$Fe₃O₄（s）+$\frac{1}{3}$CO₂（g）△H₂
Fe₃O₄（s）+CO（g）═3Fe（s）+CO₂（g）H₃
Fe₂O₃（s）+CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）H₄
则△H₄的表达式为△H₂+$\frac{2}{3}$△H₃ （用含△H₁、△H₂、△H₃的代数式表示）．
（2）上述反应在高炉中大致分为三个阶段，各阶段主要成分与温度的关系如下：

温度	250℃	600℃	1000℃	2000℃
主要成分	Fe2O3	Fe3O4	FeO	Fe

1600℃时固体物质的主要成分为FeO和Fe，该温度下若测得固体混合物中m（Fe）：m（O）=35：2，则FeO被CO还原为Fe的百分率为80%（设其它固体杂质中不含Fe、O元素）．
（3）铁等金属可用作CO与氢气反应的催化剂．已知某种催化剂可用来催化反应    CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0．在T℃，10⁶Pa时将l mol CO和3mol H₂加入体积可变的密闭容器中．实验测得CO的体积分数x（CO）如下表：

t/min	0	10	20	30	40	50
x（CO）	0.25	0.23	0.214	0.202	0.193	0.193

①能判断CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）达到平衡的是bd（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达到平衡时CO的转化率为37.1%；在T℃10⁶Pa时该反应的压强平衡常数K_p（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）的计算式为$\frac{（\frac{0.371}{3.258}）^{2}}{0.193×（\frac{1.887}{3.258}）^{3}×1{0}^{12}P{a}^{2}}$．
③图表示该反应CO的平衡转化率与温度、压强的关系．图中温度T₁、T₂、T₃由高到低的顺序是T₃＞T₂＞T₁，理由是正反应放热，在相同压强下，温度降低，平衡向正反应方向移动，CO的转化率越高．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，将所给的反应②+③×$\frac{2}{3}$可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），反应热做相应的变化即可；
（2）根据当1000℃时为FeO，在2000℃时为Fe来分析；设混合物中FeO的物质的量为xmol，Fe的物质的量为ymol，则有：$\frac{x+y}{x}$=$\frac{\frac{35}{56}}{\frac{2}{16}}$，即可求的x：y；
（3）①当一个量，在反应达平衡之前在变化，而后来不变了，则能说明反应达平衡；
②设反应达平衡时CO转化了xmol，根据三段式结合平衡时CO的体积分数来计算；在T℃10⁶Pa时该反应的压强平衡常数K_p$\frac{p（C{H}_{4}）•p（{H}_{2}O）}{p（CO）•{p}^{3}（{H}_{2}）}$来计算；
③反应CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0，温度越高，则平衡左移，CO的平衡转化率越低．

解答 解：（1）已知反应：Fe₂O₃（s）+$\frac{1}{3}$CO（g）═$\frac{2}{3}$Fe₃O₄（s）+$\frac{1}{3}$CO₂（g）△H₂  ②
Fe₃O₄（s）+4CO（g）═3Fe（s）+4CO₂（g）△H₃ ③
，根据盖斯定律，将所给的反应②+③×$\frac{2}{3}$可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），故△H₄=△H₂+$\frac{2}{3}$△H₃ ，故答案为：△H₂+$\frac{2}{3}$△H₃ ；
（2）根据当1000℃时为FeO，在2000℃时为Fe，故在1600℃时固体物质的主要成分为FeO和Fe的混合物；设混合物中FeO的物质的量为xmol，Fe的物质的量为ymol，则有：$\frac{x+y}{x}$=$\frac{\frac{35}{56}}{\frac{2}{16}}$，即可求的x：y=1：4，故剩余的FeO和被还原为铁的FeO的物质的量之比为1：4，则可知被还原的FeO的百分比为$\frac{4}{1+4}$×100%=80%，故答案为：FeO和Fe；80%；
（3）①a．由于此容器是个体积可变的容器，故为恒容的容器，则容器内压强一直不变，故不能作为反应达平衡的标志，故a错误；
 b．此反应在平衡前，气体的质量不变，但体积变小，故密度变大，故当混合气体的密度不再发生变化时能说明反应达平衡，故b正确；
c．反应达平衡的根本标志是v_正=v_逆，所以3v_正（CO）=v_逆（H₂），故c错误；
d．在反应达平衡之前，混合气体的质量不变，但物质的量变小，故混合气体的平均相对分子质量在变小，故当不变时能说明反应达平衡，故d正确．
故选bd；
②设反应达平衡时CO转化了xmol，则根据三段式可知：
            CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
初始（n）：1mol     3mol      0         0
△n：xmol    3xmol     xmol      xmol
平衡（n）：（1-x）mol（3-3x）mol   xmol      xmol
结合平衡时CO的体积分数为0.193可知：$\frac{1-x}{4-2x}$=0.193，解得x=0.371，故达到平衡时CO的转化率为=$\frac{0.371mol}{1mol}×100%=37.1%$；
在T℃10⁶Pa时该反应的压强平衡常数K_p$\frac{p（C{H}_{4}）•p（{H}_{2}O）}{p（CO）•{p}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{（\frac{0.371}{3.258}）^{2}}{0.193×（\frac{1.887}{3.258}）^{3}×1{0}^{12}P{a}^{2}}$，故答案为：37.1%；$\frac{（\frac{0.371}{3.258}）^{2}}{0.193×（\frac{1.887}{3.258}）^{3}×1{0}^{12}P{a}^{2}}$；
③反应CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H＜0，温度越高，则平衡左移，CO的平衡转化率越低，根据图象可知，温度T₃＞T₂＞T₁，
故答案为：T₃＞T₂＞T₁；正反应放热，在相同压强下，温度降低，平衡向正反应方向移动，CO的转化率越高．

点评 本题综合考查了盖斯定律的应用、平衡常数的求算和图象的应用，综合性较强，一直是高考的常见题型，难度较大．