Question

【題目】鐵及其化合物在日常生活、生產中應用廣泛，研究鐵及其化合物的應用意義重大。試回答下列問題：

（1）已知：高爐煉鐵過程中會發生如下反應：

①FeO(s)＋CO(g)===Fe(s)＋CO2(g)　ΔH1

②3Fe2O3(s)＋CO(g)===2Fe3O4(s)＋CO2(g)　ΔH2

③Fe3O4(s)＋CO(g)===3FeO(s)＋CO2(g)　ΔH3

則反應Fe2O3(s)＋3CO(g)===2Fe(s)＋3CO2(g)的ΔH的表達式為_______________________________(用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代數式表示)。

（2）上述反應在高爐中大致分為三個階段，各階段主要成分與溫度的關系如下表：

溫度/℃	250	600	1000	2000
主要成分	Fe2O3	Fe3O4	FeO	Fe

1600 ℃時固體物質的主要成分為_____________(填化學式)；若該溫度下，測得固體混合物中m(Fe)∶m(O)＝35∶4，則FeO被CO還原為Fe的百分率為______________(設其他固體雜質中不含Fe、O元素)。

（3）鐵的某些化合物可用作CO與H2反應的催化劑。已知某種鐵的化合物可用來催化反應：CO(g) ＋ 3H2(g) CH4(g) ＋ H2O(g)　ΔH ＜0 。

在T ℃、a MPa時，將2 mol CO和6 mol H2充入某容積可變的密閉容器中，實驗測得CO的物質的量在反應體系中所占百分比x(CO)如下表：

t/min	0	10	20	30	40	50
x(CO)	0.25	0.23	0.21	0.20	0.10	0.10

① T ℃ a MPa時，此反應的平衡常數K = ____________（保留1位小數）。達到平衡時CO的轉化率為___________。

②上圖表示該反應CO的平衡轉化率與溫度、壓強的關系。

圖中溫度T1、T2、T3由低到高的順序是________________。圖中顯示其它條件固定時，增加壓強會導致平衡向___________(填“左”或“右”)移動。

Answer 1

【答案】2ΔH1＋ΔH2/3＋2ΔH3/3 FeO、Fe 60% 無法確定 75%或0.75 T1＜T2＜T3 右

【解析】

（1）根據蓋斯定律，將所給的反應①×2+②/3+③×2/3可得：Fe2O3（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO2（g）；

（2）由表給數據可知1000℃時為FeO，在2000℃時為Fe，故在1600℃時固體物質的主要成分為FeO和Fe的混合物，依據鐵、氧質量比計算物質的量比，依據物質的量比計算FeO被CO還原為Fe的百分率；

（3）①由圖可知40min時反應達到平衡，平衡時CO的體積分數為0.1，依據三段式可計算平衡時CO的轉化率，但容器體積無法確定，不能計算此反應的平衡常數K；

②該反應為氣體物質的量減少的放熱反應，升高溫度，平衡左移，增大壓強，平衡右移。

（1）根據蓋斯定律，將所給的反應①×2+②/3+③×2/3可得：Fe2O3（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO2（g），故ΔH=2ΔH1＋ΔH2/3＋2ΔH3/3，故答案為：2ΔH1＋ΔH2/3＋2ΔH3/3；

（2）根據在1000℃時為FeO，在2000℃時為Fe，故在1600℃時固體物質的主要成分為FeO和Fe的混合物；設混合物中FeO的物質的量為xmol，Fe的物質的量為ymol，則有：（x+y）/x=(35/56)/(4/16)，得x：y=3：2，故剩余的FeO和被還原為鐵的FeO的物質的量之比為3：2，則可知被還原的FeO的百分比為3/(3+2)×100%=60%，故答案為：FeO和Fe；60%；

(3) ①設反應達平衡時CO轉化了xmol，則根據三段式可知：

CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g）

初始（n）：2mol 6mol 0 0

△n： xmol 3xmol xmol xmol

平衡（n）：（2-x）mol（6-3x）mol xmol xmol

由題給數據可知40min時反應達到平衡，平衡時CO的體積分數為0.1，則有（2-x）/(8-2x)=0.1，解得x=1.5 mol，因無法確定平衡時容器體積，無法計算平衡時濃度，故無法計算反應的平衡常數K；達到平衡時CO的轉化率為=1.5mol/2mol×100%=75%，故答案為：無法確定；75%；

②反應CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g）△H<0，升高溫度，平衡左移，CO的平衡轉化率越低，根據圖象可知，溫度T1＜T2＜T3；其它條件固定時，增加壓強會導致平衡向化學計量數減小的正反應方向移動，故答案為：T1＜T2＜T3；右。