Question

金屬鐵用途廣泛，高爐煉鐵的總反應為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）2Fe（s）+3CO₂（g），請回答下列問題：
（1）一定溫度下，在體積固定的密閉容器中發生上述反應，可以判斷該反應已經達到平衡的是     。

A．密閉容器中總壓強不變

B．密閉容器中混合氣體的平均摩爾質量不變

C．密閉容器中混合氣體的密度不變

D．c（CO）= c（CO2）

E．Fe₂O₃的質量不再變化
（2）一定溫度下，上述反應的化學平衡常數為3.0，該溫度下將4molCO、2molFe₂O₃、6molCO₂、5molFe加入容積為2L的密閉容器中，此時反應將向      反應方向進行（填“正”或“逆”或“處于平衡狀態”）；反應達平衡后，若升高溫度，CO與CO₂的體積比增大，則正反應為      反應（填“吸熱”或“放熱”） 。
（3）已知：3Fe₂O₃（s）+CO（g）2Fe₃O₄（s）+CO₂（g） △H="–47" kJ/mol
Fe₃O₄（s）+CO（g）3FeO（s）+CO₂（g）   △H=" +19" kJ/mol
FeO（s）+CO（g）Fe（s）+CO₂（g）      △H="–11" kJ/mol
則Fe₂O₃（s）+3CO（g）2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=            。
（4）上述總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

 
800℃時固體物質的主要成分為         ，該溫度下若測得固體混合物中m(Fe)︰m(O)=105︰32，則Fe₃O₄被CO還原為FeO的百分率為            （設其它固體雜質中不含Fe、O元素）。

Answer 1

（16分）
（1）BCE（3分） （2）逆（3分）  放熱（2分）  （3）–25 kJ/mol （3分）  
（4）Fe₃O₄  FeO（2分）   80% （3分）

試題分析：（1）由高爐煉鐵總反應可知，該反應是氣體體積或物質的量不變的反應，則恒溫恒容下氣體的壓強始終保持不變，所以總壓強不變不能說明該反應達到平衡，故A錯誤；由于容器內混合氣體的平均摩爾質量等于總質量與總物質的量之比，雖然物質的量保持不變，但是混合氣體的質量逐漸增大，因為氧化鐵變為單質鐵導致固體的質量減少，所以混合氣體的平均摩爾質量逐漸增大，當它保持不變時，說明該反應已達平衡，故B正確；由于容器中混合氣體的密度等于總質量與容積之比，雖然容積保持不變，但是混合氣體的總質量逐漸增大，則混合氣體的密度逐漸增大，當它不變時，說明該反應已達平衡，故C正確；平衡時各組分的濃度都保持不變，但是平衡濃度之比不一定等于化學方程式中系數之比，故D錯誤；氧化鐵是反應物或原料，隨著反應的進行，氧化鐵被消耗，其質量逐漸減小，當它的質量不再變化，說明該反應已達平衡，故E正確；（2）溫度不變，該反應化學平衡常數[K=c³(CO₂)/c³(CO)]不變；起始時c³(CO₂)/c³(CO)=(6/2) ³/(4/2) ³=27/8>K=3.0，則此時反應必須向逆反應方向進行，使生成物濃度減小、反應物濃度增大，c³(CO₂)/c³(CO)的比值才能減小為3.0，才能達到該溫度下的化學平衡；由于化學平衡常數等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值，則該反應的平衡常數為c(E)/[c²(A)·c(B)]；升高溫度，CO與CO₂的體積比增大，后者說明平衡向逆反應方向移動，前者導致平衡向吸熱反應方向移動，即逆反應是吸熱反應，則正反應是放熱反應；（3）先將四個熱化學方程式依次編號為①②③④，觀察已知焓變和未知焓變的熱化學方程式可得：（①+②×2+③×6）/3=④，根據蓋斯定律可知，④的焓變=[（–47）+（+19）×2+（–11）×6] kJ/mol /3=–25 kJ/mol；（4）依題意可知，800℃時固體物質的主要成分為Fe₃O₄、FeO；設固體混合物含有xmolFe₃O₄、ymolFeO，則n(Fe)=(3x+y)mol、n(O)=(4x+y)mol，m(Fe)=56×(3x+y)g、m(O)=16×(4x+y)g，m(Fe)/ m(O)="[" 56×(3x+y)]/[ 16×(4x+y)]=105/32，(4x+y)/ (3x+y)=112/105，x/(3x+y)=1/15，則y=15x；由于Fe₃O₄（s）+CO（g）3FeO（s）+CO₂（g），根據系數之比等于物質的量之比可知，被CO還原為ymolFeO的Fe₃O₄為y/3mol或4xmol，則總的Fe₃O₄為(x+y/3)mol或5xmol，被還原的Fe₃O₄與總的Fe₃O₄之比為(y/3)/ (x+y/3)=(4x)/(x+4x)=4/5，4/5×100%=80%，則Fe₃O₄被CO還原為FeO的百分率為80%。