Question

【題目】碳酸亞鐵（FeCO3）是菱鐵礦的主要成分，將其隔絕空氣加熱到200 ℃開始分解為FeO和CO2，若將其在空氣中高溫煅燒則生成Fe2O3。

（1）已知25 ℃、101 kPa時：

①C（s）＋O2（g）=CO2（g）　ΔH＝－393 kJ·mol－1

②鐵及其化合物反應的焓變示意圖如圖：

請寫出FeCO3在空氣中煅燒生成Fe2O3的熱化學方程式：___________。

（2）據報道，一定條件下Fe2O3可被甲烷還原為“納米級”的金屬鐵。其化學方程式為Fe2O3（s）＋3CH4（g）2Fe（s）＋3CO（g）＋6H2（g）　ΔH

①反應在3 L的密閉容器中進行，2 min后達到平衡，測得Fe2O3在反應中質量減少4.8 g，則該段時間內用H2表示該反應的平均反應速率為________________。

②將一定量的Fe2O3（s）和CH4（g ）置于恒溫恒容密閉容器中，在一定條件下反應，能說明反應達到平衡狀態的是____________。

A CO和H2的物質的量之比為1∶2

B 混合氣體的密度不再改變

C 鐵的物質的量不再改變

D v正（CO）＝2v逆（H2）

③在容積均為V L的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個相同的密閉容器中加入足量“納米級”的金屬鐵，然后分別充入a mol CO和2a mol H2，三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變，在其他條件相同的情況下，實驗測得反應均進行到t min時，CO的體積分數如圖所示，此時Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個容器中一定處于化學平衡狀態的是________；上述反應的ΔH________0（填“大于”或“小于”）。

（3）Fe2O3用CO還原焙燒的過程中，反應物、生成物和溫度之間的關系如圖所示。

（圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四條曲線是四個化學反應平衡時的氣相組成對溫度作圖得到的；A、B、C、D四個區域分別是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe穩定存在的區域）

若在800 ℃，混合氣體中CO2體積分數為40%的條件下，Fe2O3用CO還原焙燒，寫出反應的化學方程式：__________。

（4）Fe2O3還可以用來制備FeCl3，通過控制條件FeCl3可生成聚合物，其離子方程式為xFe3＋＋yH2OFex（OH）＋yH＋。下列措施不能使平衡正向移動的是________（填字母）。

A 加水稀釋 B 加入少量鐵粉

C 升溫 D 加入少量Na2CO3

Answer 1

【答案】4FeCO3（s）＋O2（g）=2Fe2O3（s）＋4CO2（g）ΔH＝－260 kJ·mol－1 0.03 mol·L－1·min－1 BC Ⅲ 大于 Fe2O3＋CO2FeO＋CO2 B

【解析】

（1）圖1分析書寫熱化學方程式，結合C（s）+O2（g）=CO2（g）△H=-393kJmol-1和蓋斯定律計算得到FeCO3在空氣中煅燒生成Fe2O3的熱化學方程式；

（2）①2min后達到平衡，測得Fe2O3在反應中質量減少4.8g，依據化學方程式反應前后質量變化計算生成氫氣的物質的量，根據反應速率概念計算得到氫氣的反應速率；

②反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各組分濃度保持不變，據此分析；

③2Fe（s）+3CO（g）+6H2（g）═Fe2O3（s）+3CH4（g），根據圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象，CO百分含量，由小到大，Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，結合化學平衡移動分析解答；根據溫度對平衡的影響來判斷，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉化率減小，據此判斷Fe2O3（s）+3CH4（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H2（g）△H大小；

（3）800℃時，混合氣體中CO2體積分數為40%時，圖象分析可知Fe2O3用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳；

（4）A．加水稀釋，則水解平衡正向移動；

B．固體不能影響化學平衡；

C．控制條件使平衡正向移動，水解為吸熱反應，所以升溫平衡正向移動；

D．加入碳酸鈉，則消耗氫離子，平衡正向移動。

（1）由鐵及其化合物反應的焓變示意圖可推知

①4Fe（s）＋3O2（g）=2Fe2O3 ΔH1＝-1648 kJ·mol-1

②2FeCO3（s）=2Fe（s）＋2C（s）＋3O2（g）ΔH2＝+1480 kJ·mol-1

③C（s）＋O2（g）=CO2（g）　ΔH3＝-393 kJ·mol-1

則在空氣中煅燒FeCO3生成Fe2O3的焓變ΔH＝2×ΔH2＋ΔH1＋4×ΔH3＝2×1480 kJ·mol-1＋（-1648 kJ·mol-1）＋4×（-393 kJ·mol-1）＝-260 kJ·mol-1，則熱化學方程式為4FeCO3（s）＋O2（g）=2Fe2O3（s）＋4CO2（g）ΔH＝-260 kJ·mol-1；

故答案為：4FeCO3（s）＋O2（g）=2Fe2O3（s）＋4CO2（g）ΔH＝-260 kJ·mol-1；

（2）①測得Fe2O3在反應中減少的質量為4.8 g，則反應的n（Fe2O3）＝＝0.03 mol，根據反應方程式得n（H2）＝6n（Fe2O3）＝6×0.03 mol＝0.18 mol，則用H2表示的反應速率為v（H2）＝＝0.03 mol·L-1·min-1；

故答案為：0.03 mol·L-1·min-1；

②A.因為反應開始時，無CO和H2，隨著反應的進行，CO和H2的物質的量之比一直為1∶2，不能說明反應達到平衡狀態，故A錯誤；

B.該反應有固體參加，反應前后氣體的質量有變化，又因為容器恒容，所以當混合氣體的密度不變時，反應達到平衡狀態，故B正確；

C.鐵為反應物，當其質量不再改變時，反應達到平衡狀態，故C正確；

D.當2v正（CO）＝v逆（H2）時，反應達到平衡狀態，故D錯誤；

綜上所述，答案為BC；

③由題圖可知，T1中的狀態轉變為T2中的狀態，CO的體積分數減小，說明反應正向進行，所以狀態Ⅰ未達到平衡狀態；T2中的狀態轉變為T3中的狀態，CO的體積分數增加，說明反應逆向移動，說明Ⅱ可能達到平衡狀態，一定達到平衡狀態的是狀態Ⅲ；T3時溫度最高，CO的體積分數增大，所以2Fe（s）＋3CO（g）＋6H2（g）=Fe2O3（s）＋3CH4（g）的正反應為放熱反應，則逆反應的ΔH大于0，故答案為：Ⅲ；大于；

（3）800℃時，混合氣體中二氧化碳的體積分數為40%時，由圖可知，在C區，此時為氧化亞鐵的穩定區域，所以產物為氧化亞鐵，Fe2O3用CO還原焙燒得到氧化亞鐵和二氧化碳，反應的方程式為：Fe2O3＋CO2FeO＋CO2，故答案為：Fe2O3＋CO2FeO＋CO2；

（4）A.水為反應物，加水稀釋平衡會正向移動，故A正確；

B.加入鐵粉，反應物Fe3＋的量減少，平衡會向逆向移動，故B錯誤；

C.該反應為吸熱反應，所以升高溫度，平衡會正向移動，故C正確；

D.加入少量Na2CO3，碳酸鈉會消耗氫離子，使氫離子的濃度減小，平衡正向移動，故D正確；

綜上所述，答案為B。