Question

13．高炉炼铁是冶炼铁的主要方法，发生的主要反应为：Fe₂O₃+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=akJ•mol^-1
（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol
②C（石墨）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
则 a=-28.5kJ．mol^-1
（2）冶炼铁反应的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$，温度升高后，K值减小 （填“增大“、“不变”或“减小”）．
（3）在T⁰C时，该反应的平衡常数K=64，在2L恒容密闭容器甲和乙中，分别按如表所示加人物质，反应经过一段时间后达到平衡．

	Fe2O3	CO	Fe	CO2
甲/mol	1.0	1.0	1.0	1.0
乙/mol	1.0	2.0	1.0	1.0

①甲容器中CO的平衡转化率为60%．
②下列说法正确的是ab（填字母）．
a．当容器内气体密度恒定时，表明反应达到平衡状态
b．甲容器中CO的平衡转化率小于乙容器中CO的平衡转化率
c．甲、乙容器中，CO的平衡浓度之比为3：2
d．增加Fe₂O₃的量可以提高CO的转化率
（4）采取一定措施可防止钢铁腐蚀．利用如图装置，可以模拟铁的电化学防护，其中Y为NaCl
①X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置N处（填字母）．
②若X为锌，开关K置于M处，铁极发生的电极反应式为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．
（5）高铁电池是一种新型可充电电捧，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压，高铁电池的总反应为：3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O$?_{充电}^{放电}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，下列叙述正确的是AB（填字母）．
A．放电时负极反应为：Zn-2e^-+2OH^-═Zn（OH）₂
B．充电时阳极反应为：Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-═FeO${\;}_{4}^{2-}$+4H₂O
C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK₂FeO₄被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性减弱．

Answer 1

分析 （1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨，s）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨，s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），则△H=△H₁-3△H₂；
（2）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
由（1）中可知正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
（3）①令平衡时参加反应的CO为xmol，表示出平衡时各组分的物质的量，根据平衡常数列方程计算x，转化率=$\frac{物质的量变化量}{起始物质的量}$×100%；
②a．反应前后气体质量变化，体积不变，随反应进行气体密度发生变化，若容器内气体密度恒定时，标志反应达到平衡状态；
b．甲、乙为等效平衡，平衡时CO的含量相等，结合①中计算数据可知乙中平衡时CO的物质的量，进而计算转化率判断；
c．甲、乙为等效平衡，平衡时CO的含量相等，CO的含量=$\frac{CO平衡浓度}{混合气体总浓度}$；
d．固体量增加不影响化学平衡，增加Fe₂O₃不能提高CO的转化率；
（4）①若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，应外界电流的阴极保护，使Fe连接电源的负极；
②若X为锌，开关K置于M处，构成原电池，Zn为负极被腐蚀，Fe为正极，正极上是氧气获得电子生成氢氧根离子；
（5）A．放电时，Zn被氧化生成Zn（OH）₂；
B．充电过程为电解池，Fe（OH）₃失去电子生成K₂FeO₄；
C．放电时，Fe化合价由+6价降低为+3价，则K₂FeO₄被还原；
D．放电时正极附近产生氢氧根离子．

解答 解：（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJmol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJmol^-1
依据盖斯定律，①-②×3得Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），故△H=489.0kJmol^-1-3×172.5kJmol^-1=-28.5kJmol^-1，
故答案为：-28.5；
（2）Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）的平衡常数K=$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$，该反应是放热反应，升温平衡逆向进行，平衡常数减小；
故答案为：$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$；减小；
（3）①在T℃时，该反应的平衡常数K=64，甲容器内浓度商Qc=1，小于平衡常数，反应向正反应进行，设消耗一氧化碳物质的量为x，则：
   Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）
起始量（mol）：1                 1
变化量（mol）：x                 x
平衡量（mol）：1-x               1+x
反应前后气体体积不变，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，故 $\frac{（1+x）^{3}}{（1-x）^{3}}$=64，解得x=0.6，
故CO的转化率=$\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
故答案为：60%；
②a．反应前后气体质量变化，体积不变，随反应进行气体密度发生变化，若容器内气体密度恒定时，标志反应达到平衡状态，故a正确；
b．甲、乙为等效平衡，平衡时CO的含量相等，结合①中计算数据可知乙中平衡时CO的物质的量3mol×$\frac{0.4}{2}$=0.6mol，故乙中CO的转化率为$\frac{2mol-0.6mol}{2mol}$=70%，故甲中CO转化率小于乙中CO转化率，故b正确；
c．甲、乙为等效平衡，平衡时CO的含量相等，由于CO的含量=$\frac{CO平衡浓度}{混合气体总浓度}$，则平衡时甲、乙中CO的平衡浓度之比为2mo/L：3mol/L=2：3，故c错误；
d．Fe₂O₃为固体量，增加其用量，不影响化学平衡移动，不能提高CO的转化率，故d错误，
故选：ab；
（4）①若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，应外界电流的阴极保护，使Fe连接电源的负极，开关K应置 N处，
故答案为：N；
②若X为锌，开关K置于M处，构成原电池，Zn为负极被腐蚀，Fe为正极，正极上是氧气获得电子生成氢氧根离子，电极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
（5）A．放电时，Zn被氧化生成Zn（OH）₂，电极反应式为：Zn-2e^-+2OH^-═Zn（OH）₂，故A正确；
B．充电过程为电解池，Fe（OH）₃失去电子生成K₂FeO₄，电极反应式为：Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O，故B正确；
C．放电时，Fe化合价由+6价降低为+3价，则放电时每转移3mol电子，正极有1molK₂FeO₄被还原，故C错误；
D．放电时正极附近产生氢氧根离子，溶液的碱性增强，故D错误，
故选：AB．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡常数、反应热计算、电化学等，（3）中②为易错点，容易根据等效平衡认为转化率相等，难度中等．