Question

氫是一種理想的綠色清潔能源，氫氣的制取與儲存是氫能源利用領域的研究熱點。利用FeO/Fe₃O₄循環制氫，已知：
H₂O(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+4H₂(g)  △H=akJ/mol （I）
2Fe₃O₄(s)6FeO(s)+O₂(g)   △H=bkJ/mol  （II）
下列坐標圖分別表示FeO的轉化率（圖-1 )和一定溫度時，H₂出生成速率[細顆粒(直徑0.25 mm)，粗顆粒(直徑3 mm)](圖-2)。

（1）反應：2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)  △H=          (用含a、b代數式表示)；
（2）上述反應b＞0，要使該制氫方案有實際意義，從能源利用及成本的角度考慮，實現反應II可采用的方案是：                                           ；
（3）900°C時，在兩個體積均為2.0L密閉容器中分別投人0.60molFeO和0.20mol H₂O(g)甲容器用細顆粒FeO、乙容器用粗顆粒FeO。
①用細顆粒FeO和粗顆粒FeO時，H₂生成速率不同的原因是：               ；
②細顆粒FeO時H₂O(g)的轉化率比用粗顆粒FeO時H₂O(g)的轉化率           （填“大”或“小”或“相等”）；
③求此溫度下該反應的平衡常數K（寫出計箅過程，保留兩位有效數字）。
（4）在下列坐標圖3中畫出在1000°C、用細顆粒FeO時，H₂O(g)轉化率隨時間變化示意圖（進行相應的標注）。

Answer 1

（16分）（1）(2a+b)kJ/mol（2分）（無kJ/mol或“2a+b kJ/mol”扣1分，其他不給分）
（2）用廉價的清潔能源供給熱能（2分）（答用“太陽能”、“風能”、“地熱能”、“生物能”、“核能”供給熱能給3分；答“加熱”、“升高溫度”等均不給分）
（3）①細顆粒FeO表面積大，與H₂的接觸面積大，反應速率加快（3分）  （“增大接觸面積，加快反應速率”、“接觸面積越大，反應速率越快”等合理表述給3分；答“增大反應物濃度”、“FeO的量增加，反應速率加快”給1分）；   ②相等（2分）（答“等于”、“=”給1分）
③（4分）解：900℃時，達到平衡時FeO轉化的量為：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol
H₂O(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+4H₂(g)
起始物質的量（mol）   0.20     0.60        0       0
變化物質的量（mol）  0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物質的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080       （2分）
由于固體物質的濃度是常數，不能寫入平衡常數表達式，氣體物質的濃度可以變化，根據c=n/V可求平衡時氫氣和水蒸氣的物質的量濃度，則K====0.67（2分）
（4）（3分）

試題分析：（1）先對已知熱化學方程式編號為①②，觀察發現①×2+②可得，2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)，其焓變=①的焓變×2+②的焓變=(2a+b)kJ/mol；（2）b＞0，說明反應II是吸熱反應，可用用廉價的清潔能源供給熱能或用“太陽能”、“風能”、“地熱能”、“生物能”、“核能”供給熱能；（3）①FeO是反應I中的固體反應物，細顆粒FeO表面積大，與H₂的接觸面積大，反應速率加快（或“增大接觸面積，加快反應速率”、“接觸面積越大，反應速率越快”等）；②由于固體物質濃度是常數，FeO的用量和濃度保持不變，將粗顆粒FeO改為細顆粒FeO，只能加快反應速率，不能使平衡移動，因此H₂O(g)的平衡轉化率不變或相等；③解：900℃時，達到平衡時FeO轉化的物質的量量為：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol，則：
H₂O(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+4H₂(g)
起始物質的量（mol）   0.20     0.60        0       0
變化物質的量（mol）  0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物質的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080
由于固體物質的濃度是常數，不能寫入平衡常數表達式，氣體物質的濃度可以變化，根據c=n/V可求平衡時氫氣和水蒸氣的物質的量濃度，則K====0.67；
（4）觀察圖1可得：隨著溫度的升高，FeO的平衡轉化率減小，前者導致平衡向吸熱方向移動，后者說明平衡向逆反應方向移動，因此逆反應是吸熱反應，則反應I的正反應是放熱反應；其他條件保持不變時，900℃→1000℃就是升高溫度，既能加快反應速率，又能使平衡向逆反應方向移動，則H₂O(g)的轉化率由0逐漸增大，知道達到平衡，1000℃時達到平衡的時間比900℃時少，1000℃時H₂O(g)的平衡轉化率比900℃時小，由此可以畫出水蒸氣的轉化率隨溫度變化的示意圖。