Question

13．金属铁盐或其氧化物在生产生活和科学实验中应用广泛．
（1）一定条件下Fe₂O₃与甲烷反应制取纳米级铁，同时生成CO和H₂．
已知：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-27.6kJ/mol
CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol
①反应Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）的△H＞0（填“＞”、“＜”或“=”）
②若该反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得体系中固体质量减少0.96g．则该段时间内CO的平均反应速率为0.012mol/（L•min）．
③若该反应在恒温恒压容器中进行，能表明该反应达到平衡状态的是b、d（选填序号）
a．c（CH₄）=c（CO）
b．固体的总质量不变 
c．v（CO）与v（H₂）的比值不变
d．混合气体的平均相对分子质量不变
④该反应的化学平衡常数的负对数pK随反应温度T的变化曲线如下图．试用平衡移动原理解释该曲线的变化规律：该反应为吸热反应，温度越高反应进行的程度越大，K越大，则pK越小．若700℃时测得c_平衡（H₂）=1.0mol•L^-1，则CH₄的转化率为50%．
（2）菱铁矿的主要成分是：FeCO₃，实验室中可以通过FeSO₄与NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，有关反应的离子方程式为：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O．已知K_sp[FeCO₃】=3.2×10^-11，H₂CO₃的K_a1=4.30×10^-7，K_a2=5.61×10^-11．试通过以上数据简要计算说明该反应能进行的原因K=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（F{e}^{2+}）{c}^{2}（HC{O}_{3}^{-}）}$=$\frac{{K}_{a2}}{{K}_{sp}（FeC{O}_{3}）•{K}_{a1}}$=4.08×10⁶＞10⁶，所以反应易发生．
（3）Na₂FeO₄是一种高效净水剂，工业上以Fe为阳极，NaOH为电解质溶液进行电解制备，写出阳极电极反应式：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①所求反应可根据已知热效应的热化学方程式推导，根据盖斯定律计算；
②反应容器的体积为V=5L，反应经历的时间为△t=1min，体系中固体质量减少0.96g，减少的固体为Fe₂O₃，增加的固体为Fe，根据元素守恒分析，实际上减少的是O元素的质量，根据反应方程式计算生成CO的物质的量，根据化学反应平均速率公式$\overline{r}（CO）$=$\frac{△n}{V△t}$计算；
③若该反应在恒温恒压容器中进行，恒压容器中反应体系的压强始终保持不变，体积可以改变，联系常用判断化学平衡的标志，如压强，体积，密度等，据此逐项分析；
④该反应焓变＞0，表明正反应是吸热反应，随着温度升高，化学平衡向正反应方向移动，则正向趋势增大，K增大，pK减小，700℃时，pK=0，则pK=-lgK=0，所以K=1，根据化学反应的平衡常数表达式计算；
（2）实验室中可以通过FeSO₄与NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，考虑是双水解的反应，据此写出反应的离子方程式，根据多重平衡规则推导该反应的平衡常数，从平衡常数角度说明该反应能进行的原因；
（3）工业上以Fe为阳极，NaOH为电解质溶液进行电解制备Na₂FeO₄，电解池中阳极发生的反应为Fe失去电子，发生氧化反应，考虑到溶液中的NaOH存在，则电解产物为FeO₄^2-，据此写出阳极的电极反应．

解答 解：（1）由①Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H₁=-27.6kJ/mol，
②CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₂=+206.4kJ/mol，
 ③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.0kJ/mol，
反应Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）可由3×（②-③）+①得到，根据盖斯定律，该反应的焓变为△H=3×（△H₂-△H₃）+△H₁=+714.6kJ/mol＞0，
故答案为：＞；
②反应容器的体积为V=5L，反应经历的时间为△t=1min，体系中固体质量减少0.96g，减少的固体为Fe₂O₃，增加的固体为Fe，根据元素守恒分析，实际上减少的为O元素的质量，物质的量为$\frac{0.96g}{16g/mol}$═0.06mol，根据反应方程式，则生成CO的物质的量为△n（CO）=0.06mol，则生成CO的化学反应平均速率为$\overline{r}（CO）=\frac{△n（CO）}{V△t}$=$\frac{0.06mol}{5L×1min}$=0.012mol/（L•min），
故答案为：0.012mol/（L•min）；
③反应为：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），若该反应在恒温恒压容器中进行，恒压容器中反应体系的压强始终保持不变，体积可以改变，随着反应进行，容器体积增大，
a．CH4时反应物，CO是生成物，平衡时二者的物质的量浓度关系需根据具体的CH₄的初始量决定，并不是平衡时候一定就有c（CH₄）=c（CO），故a不选；
b．由反应方程式分析，反应过程中固体由Fe₂O₃转化为Fe，相当于失去了O，固体总质量是发生改变的，当化学反应达到平衡时，固体总质量就保持不变，可以判断化学反应是否达到平衡，故b选；
c．对于用化学反应速率判断化学平衡时，需要注明是正反应速率和逆反应速率，否则不能说明化学反应是否达到平衡，故c不选；
d．混合气体的平均相对分子质量为$\overline{{M}_{r}}=\frac{{m}_{气}}{{n}_{气}}$，根据反应方程式，体系中混合气体的质量值会发生改变，混合气体总物质的量会发生改变，当混合气体的平均相对分子质量不变时，可以说明化学反应是否达到平衡，故d选；
故答案为：b、d；
④该反应焓变＞0，表明正反应是吸热反应，随着温度升高，化学平衡向正反应方向移动，则正向趋势增大，K增大，pK减小，平衡移动原理解释该曲线的变化规律为：该反应为吸热反应，温度越高反应进行的程度越大，K越大，则pK越小，
若700℃时测得c_平衡（H₂）=1.0mol/L，700℃时，pK=0，则pK=-lgK=0，所以K=1，该反应的化学平衡常数为K=$\frac{{c}^{3}（CO）{c}^{6}（{H}_{2}）}{{c}^{3}（C{H}_{4}）}$=1，则c（CO）=c（CH₄），根据化学方程式可知，平衡时c（H₂）=2c（CO），所以c（CO）=c（CH₄）=0.5mol/L，反应过程CH₄转化的量为0.5mol/L，所以起始时CH₄的量为0.5mol/L+0.5mol/L=1mol/L，因此CH₄的转化率为α=$\frac{0.5mol/L}{1mol/L}×100%$=50%，
故答案为：该反应为吸热反应，温度越高反应进行的程度越大，K越大，则pK越小；50%；
（2）实验室中可以通过FeSO₄与NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，考虑是双水解的反应，则有关反应的离子方程式为：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
该反应的化学平衡常数为K=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{{c}^{2}（HC{O}_{3}^{-}）c（F{e}^{2+}）}$=$\frac{{K}_{a2}}{{K}_{sp}（FeC{O}_{3}）{K}_{a1}}$=$\frac{5.61×1{0}^{-11}}{3.2×1{0}^{-11}×4.30×1{0}^{-7}}$=4.08×10⁶＞10⁶，所以该反应易发生，
故答案为：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O；K=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（F{e}^{2+}）{c}^{2}（HC{O}_{3}^{-}）}$=$\frac{{K}_{a2}}{{K}_{sp}（FeC{O}_{3}）•{K}_{a1}}$=4.08×10⁶＞10⁶，所以反应易发生；
（3）工业上以Fe为阳极，NaOH为电解质溶液进行电解制备Na₂FeO₄，电解池中阳极发生的反应为Fe失去电子，发生氧化反应，考虑到溶液中的NaOH存在，则电解产物为FeO₄^2-，则阳极电极反应式：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案为：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

点评 本题主要考查化学原理部分知识，包含盖斯定律的应用，化学平衡的移动，化学平衡的判断，化学反应速率的计算，化学平衡常数的计算，电化学原理，电极反应式的书写，题目为综合类型的题目，涉及的知识点较多，均为高频考点，题目难度中等．