Question

【題目】(1)鐵及其化合物在生產生活中應用最廣泛，煉鐵技術和含鐵新材料的應用倍受關注。利用鐵的氧化物循環裂解水制氫氣的過程如下圖所示。整個過程與溫度密切相關，當溫度低于570℃時，反應Fe3O4(s)+4CO(g)3Fe(s)+4CO2(g)，阻礙循環反應的進行。

已知：i. Fe3O4(s)+CO(g)3FeO(s)+CO2(g);△H1=+19.3 kJ·mol－1

ii. 3FeO(s)+H2O(g) Fe3O4(s)+H2(g);△H2=－57.2 kJ·mol－1

iii. C(s)+CO2(g)2CO(g);△H3=+172.4 k]·mol－1

鐵氧化物循環裂解水制氫氣總反應的熱化學方程式是___________。

(2)T1℃時，向某恒溫密閉容器中加入一定量的Fe2O3和炭粉，發生反應Fe2O3(s)+3C(s)2Fe(s)+3CO(g)，反應達到平衡后，在t1時刻，改變某條件，V(逆)隨時間(t)的變化關系如圖所示，則t1時刻改變的條件可能是___________(填寫字母)。

a.保持溫度不變，壓縮容器 b.保持體積不變，升高溫度

c.保持體積不變，加少量碳粉 d.保持體積不變，增大CO濃度

(3)在一定溫度下，向某體積可變的恒壓密閉容器(p總)加入1molCO2與足量的碳，發生反應，平衡時體系中氣體體積分數與溫度的關系如圖所示

①650℃時，該反應達平衡后吸收的熱量是___________。

②T℃時，若向平衡體系中再充入一定量按V(CO2)︰V(CO)=5︰4的混合氣體，平衡___________(填“正向”、“逆向”或“不”)移動。

③925℃時，用平衡分壓代替平衡濃度表示的化學平衡常數Kp為___________。[氣體分壓(p分)=氣體總壓(p總)×體積分數，用某物質的平衡分壓代替物質的量濃度也可以表示化學平衡常數，記作Kp]

(4)用原電池原理可以除去酸性廢水中的三氯乙烯、AsO3－，其原理如下圖所示(導電殼內部為納米零價鐵)

在除污過程中，納米零價鐵中的Fe為原電池的___________極(填“正”或“負”)，寫出C2HCl3在其表面轉化為乙烷的電極反應式為___________。

(5)已知25℃時，Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10－38，此溫度下若在實驗室中配制100mL5mol·L－1FeCl3溶液，為使配制過程中不出現渾濁現象，則至少需要加入2mol·L－1的鹽酸_________mL(忽略加入鹽酸體積)。

Answer 1

【答案】C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)ΔH=+134.5 kJ·mol-1 ad 43kJ 正向 23.04P總 負 C2HCl3 +5H++8e-=C2H6 +3C1- 2.5

【解析】

(1)根據蓋斯定律對熱化學方程式運算。

(2)由圖像可知，t1時改變條件使逆反應速率突然增大，達到新平衡時反應速率跟原速率相等，根據這一特點并結合平衡常數只與溫度有關等知識分析。

(3)密閉容器中建立的平衡為C(s)+CO2(g)2CO(g)。①運用“三段式”分析計算參加反應的CO2的物質的量，再結合熱化學方程式的意義計算吸收的熱量；②根據V(CO2)︰V(CO)=5︰4>1:1分析解答；③根據平衡常數表達式并結合氣體分壓定義分析。

(4)由圖可知納米零價鐵中Fe失去電子，根據原電池原理分析。

(5)配制過程中出現渾濁現象是因為生成了難溶于水的Fe(OH)3，根據溶解平衡知識只要c(Fe3+)·c3(OH-)< Ksp[Fe(OH)3]，就不會有沉淀生成，據此分析計算。

(1)根據蓋斯定律，將i+ii+iii得：C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g);ΔH=+134.5 kJ·mol-1。

(2)密閉容器中建立的平衡為Fe2O3(s)+3C(s)2Fe(s)+3CO(g)，由圖像可知，t1時改變條件使逆反應速率突然增大，達到新平衡時反應速率跟原速率相等。a.t1時保持溫度不變，壓縮容器使氣體壓強增大，逆反應速率突然增大，由于溫度不變，所以平衡常數K=c3(CO)不變，所以達到新平衡時c(CO)不變，逆反應速率不變，符合圖像，a項正確；b.t1時保持體積不變，升高溫度使逆反應速率突然增大，但達到新平衡時溫度比原來高，所以達到新平衡時逆反應速率比原來大，不符合圖像，b項錯誤；c.t1時保持體積不變，加少量碳粉，固體物質的濃度視為常數，所以t1時逆反應速率不會發生突變，不符圖像，c項錯誤；d.t1時保持體積不變，增大CO濃度，使逆反應速率突然增大，因溫度不變，達到新平衡時平衡常數K=c3(CO)不變，即c(CO)濃度不變，所以達到新平衡時逆反應速率不變，符合圖像，d項正確；答案選ad。

(3) ①由圖像可知，6500C時反應達到平衡后CO的體積分數為40%，設達到平衡時轉化的CO2的物質的量為x。應用“三段式”分析得：

CO的體積分數=×100%=40%，解得x=0.25mol，由C(s)+CO2(g)2CO(g); △H3=+172.4 k]·mol－1可知，該反應達到平衡后吸收的熱量是：0.25mol×172kJ/mol=43kJ。

②由圖像知T0C時CO2和CO的體積分數相等，即V(CO2):V(CO)=1:1，T℃時，向平衡體系中再充入一定量按V(CO2):V(CO)=5:4的混合氣體，因V(CO2):V(CO)=5:4>1:1，（相當于增大CO2濃度）所以平衡向正反應方向移動。

③925℃時，CO的體積分數為96%，則CO2的體積分數為4%，所以用平衡分壓代替平衡濃度表示的化學平衡常數Kp==23.04P總。

(4)由圖可知納米零價鐵中Fe失去電子轉化為Fe2+，由原電池原理知，納米零價鐵中的Fe作原電池的負極。因根據碳元素化合價知，C2HCl3在其表面被還原為乙烷，根據電荷守恒和原子守恒，該電極反應式為：C2HCl3 +5H++8e-=C2H6 +3C1-。

(5)Fe(OH)3難溶于水，在溶液中存在溶解平衡：Fe(OH)3(s)Fe3+(aq)+3OH-(aq)。為使配制過程中不出現渾濁現象，則c(Fe3+)·c3(OH-)< Ksp[Fe(OH)3]，即c(OH-)<==2×10-13mol/L，則c(H+)=>=0.05mol/L。設加入鹽酸體積為x（忽略溶液體積的變化），加入鹽酸后溶液中c(H+)==0.05mol/L，解得x=0.0025L（2.5mL），即至少需要加入2.5mL鹽酸。