Question

氧化铁在工业上具有广泛的应用．

I据报道，一定条件下利用Fe₂O₃与甲烷反应可制取“纳米级”的金属铁．其反应如下：
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
（1）若反应在2L的密闭容器中进行，5min后达到平衡，测得反应生成Fe的质量为l.12g．则该段时间内CH₄的平均反应速率为

 

．
（2）反应达到平衡后，保持其他条件不变，仅改变某一相关元素，下列说法正确的是

 

（选填序号）．
a．若加入催化剂，v_正增大，平衡向右移动
b．若温度升高，平衡常数K减小
c．若增大Fe₂O₃的量，平衡向右移动
d．若从反应体系中移走部分CO，可提高CH₄的转化率
Ⅱ工业上利用硫铁矿烧渣（主要成分为Fe₂O₃、A1₂O₃、SiO₂等）为原料提取Fe₂O₃，工艺流程如图1：试回答下列问题：
（3）结合如图2，判断步骤ⅱ中调节溶液的pH范围

 

．
（4）写出步骤2中发生反应的离子方程式

 

，步骤2中分离出的滤渣的化学式是

 

．
（5）已知

微粒平衡	平衡常数
Fe3CO3（s）?Fe2+（aq）+CO   2- 3 （aq）	Ksp=3.2×10-11
H2CO3?H++HCO   - 3	Ka1=4.36×10-7
HCO   - 3 ?H++CO   2- 3	Ka2=4.68×10-11
2HCO   - 3 ?H2CO3+CO   2- 3	K=1.3×-4

计算Fe²⁺（aq）+2HCO

- 3

（aq）?FeCO₃（s）+H₂CO₃（aq）的平衡常数为

 

．
（6）在空气中煅烧FeCO₃生成氧化铁的化学方程式为

 

．
（7）结合所学化学知识，请你设计在实验室里从上述的硫铁矿烧渣中提取氧化铁的另一种简单方案

 

．

Answer 1

考点：物质分离和提纯的方法和基本操作综合应用,反应速率的定量表示方法,化学平衡的影响因素,化学平衡的计算,铁的氧化物和氢氧化物

专题：实验设计题,化学平衡专题

分析：Ⅰ．（1）铁物质的量=

1.12g

26g/mol

=0.02mol，根据化学方程式定量关系计算甲烷消耗的物质的量，依据化学反应速率概念计算得到；
（2）依据化学反应特征和影响平衡因素，结合化学平衡移动原理分析；
Ⅱ．（3）依据图象分析可知加入铁是还原铁离子，同时调节溶液PH除去铝离子，亚铁离子不生成沉淀，溶液PH不高于7；
（4）流程分析，步骤i是硫酸溶解后过滤除去不溶杂质，步骤ii是加入过量铁调节溶液PH，过滤得到滤液除去过量铁，步骤iii是过滤得到碳酸亚铁沉淀；
（5）依据电离平衡常数结合反应平衡常数表达式计算推断得到；
（6）在空气中煅烧FeCO₃生成氧化铁和二氧化碳，依据原子守恒配平书写化学方程式；
（7）依据氧化铁不溶于氢氧化钠溶液，氧化铝和二氧化硅能溶解于氢氧化钠溶液设计实验．

解答： 解：（1）若反应在2L的密闭容器中进行，5min后达到平衡，测得反应生成Fe的质量为1.12g，铁物质的量=

1.12g

56g/mol

=0.02mol，结合化学方程式，Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），计算反应的甲烷物质的量为0.03mol，则该段时间内CH₄的平均反应速率=

0.03mol 2L

5min

=0.003mol/（L?min）；
故答案为：0.003mol?L^-1?min^-1；
（2）Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反应是气体体积不变的吸热反应
a．若加入催化剂，V_逆，v_正增大，速率同等程度增大，平衡不发生移动，故a错误；
b．反应是吸热反应，若温度升高，平衡正向进行，平衡常数K增大，故b错误；
c．若增大Fe₂O₃的量，氧化铁是固体不允许平衡，平衡不移动，故d错误；
d．若从反应体系中移走部分CO，减少生成物，平衡正向进行，可提高CH₄的转化率，故d正确；
故答案为：d；
（3）根据图象可知，亚铁离子开始沉淀时的pH值是7，所以要得到碳酸亚铁，同时调节溶液PH除去铝离子，亚铁离子不生成沉淀，则溶液的pH不能高于7，且大于4.7，故答案为：4.7～7；
（4）判断步骤ⅱ反应主要为Fe³⁺+2Fe═3Fe²⁺，调节溶液pH，得到纯净的Fe²⁺，此时铝离子以Al（OH）₃沉淀形成去除，故答案为：Fe³⁺+2Fe═3Fe²⁺；Al（OH）₃；
（5）反应Fe²⁺（aq）+2HCO₃^-（aq）═FeCO₃（s）+H₂CO₃（aq）的平衡常数
K=

c(H2CO3)

c2(HCO3-)c(Fe2+)

=

c(H2CO3)c(CO32-)

c(Fe2+)c(CO32-)c2(HCO3-)

=

K

Ksp

=

1.3×10-4

3.2×10-11

=4.06×10⁶；
故答案为：4.06×10⁶；
（6）在空气中煅烧FeCO₃生成氧化铁和二氧化碳，依据原子守恒分析，生成氧化铁同时生成二氧化碳，反应的化学方程式为：4FeCO₃+O₂

高温  .

2Fe₂O₃+4CO₂，
故答案为：4FeCO₃+O₂

高温  .

2Fe₂O₃+4CO₂；
（7）由于氧化铝与二氧化硅均能和氢氧化钠溶液反应，而氧化铁和氢氧化钠溶液不反应，因此要提取氧化铁的实验方案可以设计为取少量磁铁矿烧渣，加入足量热的浓氢氧化钠溶液中，搅拌，过滤，洗涤烘干得到；
故答案为：取少量磁铁矿烧渣，加入足量热的浓氢氧化钠溶液中，搅拌，过滤，洗涤烘干得到．

点评：本题较为综合，涉及反应速率计算，化学平衡和反应速率的影响因素，方程式书写方法，物质分离与提纯，实验方案设计，平衡常数的有关计算，为高频考点，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，注意把握实验的流程分析．题目难度中等．