Question

15．碳酸亞鐵（FeCO₃）是菱鐵礦的主要成分，將其隔絕空氣加熱到200℃開始分解為FeO和CO₂，若將其在空氣中高溫煅燒則生成Fe₂O₃．

（1）已知25℃，101kPa時：
①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1
②鐵及其化合物反應(yīng)的焓變示意圖如圖1：
請寫出FeCO₃在空氣中煅燒生成Fe₂O₃的熱化學(xué)方程式4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ•mol^-1．
（2）據(jù)報道，一定條件下Fe₂O₃可被甲烷還原為“納米級”的金屬鐵．其反應(yīng)為：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H
①反應(yīng)在3L的密閉容器中進行，2min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少4.8g，則該段時間內(nèi)用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為0.03mol•L^-1•min^-1．
②將一定量的Fe₂O₃（s）和3CH₄（g）置于恒溫恒容密閉容器中，在一定條件下反應(yīng)，能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是BC．
A．CO和H₂的物質(zhì)的量之比為1：2               B．混合氣體的密度不再改變
C．鐵的物質(zhì)的量不再改變                       D． v_正（CO）=2v_逆（H₂）
③在容積均為VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個相同密閉容器中加入足量“納米級”的金屬鐵，然后分別充入a molCO和2amol H₂，三個容器的反應(yīng)溫度分別為T₁、T₂、T₃且恒定不變，在其他條件相同的情況下，實驗測得反應(yīng)均進行到t min時CO的體積分數(shù)如圖2所示，此時Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個容器中一定處于化學(xué)平衡狀態(tài)的是III；上述反應(yīng)的△H大于0（填“大于”或“小于”）．
④甲烷經(jīng)重整催化作用提供反應(yīng)氣的燃料電池如圖3（以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃為電解質(zhì)）．則正極電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-，以此電池為電源電解精煉銅，當有0.1mol e^-轉(zhuǎn)移時，有＜3.2g銅溶解（填“＞”、
“＜”或“=”）．
（3）Fe₂O₃用CO還原焙燒的過程中，反應(yīng)物、生成物和溫度之 間的關(guān)系如圖4所示．
若在800℃，混合氣體中CO₂體積分數(shù)為40%的條件下，F(xiàn)e₂O₃用CO還原焙燒，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式為Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂．
（4）Fe₂O₃還可以用來制備FeCl₃，通過控制條件FeCl₃可生成聚合物，其離子方程式為：x Fe³⁺+y H₂O═Fe_x（OH）_y^（3x-y）++y H⁺下列措施不能使平衡正向移動的是B（填序號）
A．加水稀釋   B．加入少量鐵粉     C．升溫     D．加入少量Na₂CO₃．

Answer 1

分析 （1）圖1分析書寫熱化學(xué)方程式，結(jié)合C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1和蓋斯定律計算得到FeCO₃在空氣中煅燒生成Fe₂O₃的熱化學(xué)方程式；
（2）①2min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應(yīng)中質(zhì)量減少4.8g，依據(jù)化學(xué)方程式反應(yīng)前后質(zhì)量變化計算生成氫氣的物質(zhì)的量，根據(jù)反應(yīng)速率概念計算得到氫氣的反應(yīng)速率；
②反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各組分濃度保持不變，據(jù)此分析；
③2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）═Fe₂O₃（s）+3CH₄（g），根據(jù)圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象，CO百分含量，由小到大，Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，結(jié)合化學(xué)平衡移動分析解答；根據(jù)溫度對平衡的影響來判斷，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減小，據(jù)此判斷Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H大小；
④該燃料電池中，通入甲烷的一極為原電池的負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)圖示信息知道負極電極反應(yīng)式為：H₂-2e^-+CO₃^2-=CO₂+H₂O，通入空氣和CO₂的混合氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
（3）800℃時，混合氣體中CO₂體積分數(shù)為40%時，圖象分析可知Fe₂O₃用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳；
（4）A．加水稀釋，則水解平衡正向移動；
B．固體不能影響化學(xué)平衡；
C．控制條件使平衡正向移動，水解為吸熱反應(yīng)，所以升溫平衡正向移動；
D．加入碳酸鈉，則消耗氫離子，平衡正向移動．

解答 解：（1）①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1
鐵及其化合物反應(yīng)的焓變示意圖如圖1：寫出熱化學(xué)方程式為：
②2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）=2FeCO₃（s）△H=+1480KJ/mol，
③4Fe（s）+3O₂（g）=2Fe₂O₃（s）△H=-1648KJ/mol
蓋斯定律計算①×4-（②×2-③）得到FeCO₃在空氣中煅燒生成Fe₂O₃的熱化學(xué)方程式：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260 kJ•mol^-1，
故答案為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260 kJ•mol^-1；
（2）①Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）
       1mol                                   6mol        
       $\frac{4.8g}{160g/mol}$                                n  
n=0.18mol
氫氣表示的反應(yīng)速率=$\frac{\frac{0.18mol}{3L}}{2min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1； 
②A．反應(yīng)中生成CO和H₂的物質(zhì)的量之比始終為1：2，不能說明反應(yīng)正逆反應(yīng)速率相同，故A錯誤；
B．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，氣體體積不變，當混合氣體的密度不再改變是沒反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．鐵的物質(zhì)的量不再改變說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計量數(shù)之比，為正反應(yīng)速率之比，2 v_正（CO）=v_逆（H₂）說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，v_正（CO）=2v_逆（H₂）不能說明反應(yīng)正逆反應(yīng)速率相同，故D錯誤；
故答案為：BC；
③在容積均為VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個相同密閉容器中加入足量“納米級”的金屬鐵，然后分別充入a molCO和2amol H₂，2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）═Fe₂O₃（s）+3CH₄（g），根據(jù)圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象，CO百分含量，由小到大依次為：Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，T₁中的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成T₂中的狀態(tài)，CO百分含量減小，說明平衡正向移動，說明T₁未達平衡狀態(tài)，T₂中的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成T₃中的平衡狀態(tài)，CO百分含量增大，說明平衡逆向移動，說明T₂可能達平衡狀態(tài)，一定達到化學(xué)平衡狀態(tài)的是Ⅲ，2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）═Fe₂O₃（s）+3CH₄（g），該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，上述反應(yīng)Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）的△H大于0，
故答案為：III，大于；   
④根據(jù)電極反應(yīng)：負極電極反應(yīng)式為：H₂-2e^-+CO₃^2-=CO₂+H₂O，通入空氣和CO₂的混合氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，電解精煉銅，陰極上銅離子得到電子生成銅，電極反應(yīng)Cu²⁺+2e^-=Cu，當電路有0.1mol e^-轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成銅0.05mol，如果全部是銅放電，則溶解的銅的質(zhì)量=0.05mol×64g/mol=3.2g，粗銅有比銅更活潑的金屬首先放電，所以溶解的銅小于3.2g，
故答案為：O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-，＜；
（3）800℃時，混合氣體中CO₂體積分數(shù)為40%時，由圖可知，“800℃、CO₂體積分數(shù)為40%”時，在C區(qū)，此時為FeO的穩(wěn)定區(qū)域，故產(chǎn)物為FeO，F(xiàn)e₂O₃用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂，
故答案為：Fe₂O₃+CO $\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$ 2FeO+CO₂；    
（4）A．加水稀釋，促進水解平衡正向移動，故A不符合；
B．固體不能影響化學(xué)平衡，加入少量鐵粉平衡不變，故B符合；
C．水解為吸熱反應(yīng)，所以升溫平衡正向移動，故C不符合；
D．加入碳酸鈉，和水解生成的氫離子反應(yīng)消耗氫離子，促進平衡正向移動，故D不符合；
故答案為：B；

點評 本題考查了圖象分析判斷的方法應(yīng)用，主要是熱化學(xué)方程式書寫、平衡計算和平衡標志分析、原電池原理的分析判斷和電極反應(yīng)的分析判斷，掌握基礎(chǔ)是解題的關(guān)鍵，題目難度中等．