Question

【題目】鋼鐵行業是工業生產的重要支柱。

（1）已知高爐煉鐵的主要反應為：

①Fe2O3(s)+3CO(g)＝2Fe(s)+3CO2(g) △H=－25 kJ·mol－1

②3Fe2O3(s)+CO(g)＝2Fe3O4(s)+CO2(g) △H=－47 kJ·mol－1

③Fe3O4(s)+CO(g)＝3FeO(s)+CO2(g) △H=+19 kJ·mol－1

寫出FeO(s)被CO還原生成Fe(s)和CO2的熱化學方程式：________________。

（2）恒溫恒容條件下進行反應Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)，下列各項能說明該反應已達到平衡狀態的是_______(填寫序號字母)。

a．v(CO)正=v(CO2)逆 b．CO、CO2 的濃度之比為1：1

c．容器內壓強保持不變 d．混合氣體的密度保持不變

（3）ToC時，反應Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)的平衡常數為K=27。在1L的密閉容器中分別按下表所示加入物質，維持ToC反應一段時間達到平衡，甲、乙容器中CO的平衡轉化率之比=_________。

	Fe2O3	CO	Fe	CO2
甲容器	1.0 mol	1.0 mol	1.0 mol	1.0 mol
乙容器	1.0 mol	2.0 mol	1.0 mol	1.0 mol

（4）下列為合成甲醇的有關化學方程式：

①2H2(g)+CO(g) CH3OH(g)

②H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g)

③3H2(g)+CO2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

某溫度下，上述三個反應的平衡常數數值分別為2.5，2.0和K3，則K3值為_______。

（5）比亞迪雙模電動汽車使用高鐵電池供電。高鐵電池的總反應為：3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH3Zn+2K2FeO4+8H2O，則充電時的陽極反應式為__________。

（6）煉鐵尾氣中含有CO，經過回收可用于合成甲醇：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H=－90.1 kJ·mol－1。ToC，該反應的Kp=6.0×10-3kPa-2（用平衡分壓代替平衡濃度所得平衡常數，分壓= 總壓×物質的量分數）。該溫度下的某容器中，若起始充入2molH2、1molCO，平衡時甲醇的平衡分壓p(CH3OH)=24.0kPa，則平衡時混合氣體中CH3OH的體積分數約為________（用百分數表示，小數點后保留1位）。

Answer 1

【答案】FeO(s)+CO(g)＝Fe(s)+CO2(g) △H=－11kJ/mol ad 4:5 5.0 2Fe(OH)3+10OH-－6e-＝2FeO42-+8H2O 44.4%

【解析】

（1）根據蓋斯定律計算；

（2）根據平衡狀態的特征分析判斷；

（3）根據平衡常數結合三段式計算；

（4）根據已知方程式進行疊加計算平衡常數；

（5）根據陽極發生得到電子的氧化反應分析解答；

（6）根據方程式和平衡常數的含義計算甲醇的體積分數。

（1）已知：

①Fe2O3(s)+3CO(g)＝2Fe(s)+3CO2(g) △H=－25 kJ·mol－1

②3Fe2O3(s)+CO(g)＝2Fe3O4(s)+CO2(g) △H=－47 kJ·mol－1

③Fe3O4(s)+CO(g)＝3FeO(s)+CO2(g) △H=+19 kJ·mol－1

根據蓋斯定律可知（①×3－②－③×2）/6即得到FeO(s)被CO還原生成Fe(s)和CO2的熱化學方程式為FeO(s)+CO(g)==Fe(s)+CO2(g) △H=－11kJ/mol。

（2）在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發生變化的狀態，稱為化學平衡狀態。則

a．v(CO)正＝v(CO2)逆表示反應速率的方向相反，且滿足反應速率之比是化學計量數之比，反應達到平衡狀態，a正確；

b．CO、CO2的濃度之比為1：1不能說明正逆反應速率相等，不一定達到平衡狀態，b錯誤；

c．反應前后體積不變，容器內壓強保持不變不能說明反應達到平衡狀態，c錯誤；

d．密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中容積始終是不變的，但質量是變化的，則混合氣體的密度保持不變說明反應達到平衡狀態，d正確。

答案選ad；

（3）甲容器中 Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)

起始濃度（mol/L） 1 1

轉化濃度（mol/L） x x

平衡濃度（mol/L） 1－x 1+x

乙容器中 Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)

起始濃度（mol/L） 2 1

轉化濃度（mol/L） y y

平衡濃度（mol/L） 2－y 1+y

則、

解得x＝0.5、y＝1.25，即甲中轉化為是50%，乙中轉化率為62.5%，所以甲、乙容器中CO的平衡轉化率之比50%：62.5%＝4：5；

（4）已知：

①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) K1

②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) K2

③3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

①+②即得到反應③，則K3＝K1×K2＝2.5×2.0＝5.0；

（5）高鐵電池的總反應為3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH3Zn+2K2FeO4+8H2O，充電時氫氧化鐵失去電子轉化為高鐵酸鉀，則充電時的陽極反應式為2Fe(OH)3+10OH-－6e-＝2FeO42-+8H2O。

（6）起始時投入2molH2、1molCO，二者按2：1反應，故平衡時二者物質的量之比為2：1，二者分壓之比為2：1，設平衡時CO分壓為P，則氫氣分壓為2P，該反應的平衡常數Kp=6.0×10-3（kPa）-2，反應達到平衡時p（CH3OH）=24.0kPa，則，解得P=10kPa，相同條件下，壓強之比等于物質的量之比，故平衡時H2、CO、CH3OH的物質的量之比為20：10：24=10：5：12，則平衡混合氣體中CH3OH的物質的量分數為12/(10+5+12)×100%≈44.4%。