Question

【題目】鐵及鐵的氧化物廣泛應于生產、生活、航天、科研領域。

(1)鐵氧化合物循環分解水制H2

已知：H2O(l)===H2(g)＋O2(g)　ΔH1＝＋285.5 kJ/mol

6FeO(s)＋O2(g) ===2Fe3O4(s)　ΔH2＝－313.2 kJ/mol

則：3FeO(s)＋H2O(l)===H2(g)＋Fe3O4(s)　ΔH3＝___________

(2)Fe2O3與CH4反應可制備“納米級”金屬鐵，其反應為： 3CH4(g) ＋ Fe2O3(s) 2Fe(s) ＋6H2(g) ＋3CO(g) ΔH4

①此反應的化學平衡常數表達式為_________________________________。

②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”金屬鐵，然后分別充入amolCO和2a molH2，三個容器的反應溫度分別保持T1、T2、T3，在其他條件相同的情況下，實驗測得反應均進行到tmin時CO的體積分數如圖1所示，此時I、II、III三個容器中一定處于化學平衡狀態的是___________(選填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)；制備“納米級”金屬鐵的反應：ΔH4 _____ 0(填“＞”或“＜”)。

③在T℃下，向某恒容密閉容器中加入3molCH4(g)和2mol Fe2O3(s)進行上述反應，反應起始時壓強為P0，反應進行至10min時達到平衡狀態，測得此時容器的氣體壓強是起始壓強的2倍。10 min內用Fe2O3(s)表示的平均反應速率為_______g·min－1； T℃下該反應的Kp = _____________________；T℃下若起始時向該容器中加入2molCH4(g)、4mol Fe2O3(s)、1molFe(s)、2mol H2(g)、2molCO(g)，則起始時v (正)______v (逆) (填“＞”、“＜”或“＝”)。

(3)納米鐵粉與水中NO3－反應的離子方程式為 4Fe+ NO3－+10H+=4Fe2++NH4++3H2O

①研究發現，若pH偏低將會導致NO3－的去除率下降，其原因是_________________。

②相同條件下，納米鐵粉去除不同水樣中NO3－的速率有較大差異，圖2中所產生的差異的可能原因是__________________________________________________(答一條)。

Answer 1

【答案】＋128.9 kJ/mol Ⅲ ＞ 8 P06 ＞ 納米鐵粉與H＋反應生成H2 Cu或Cu2+催化納米鐵粉去除NO3－的反應(或形成的Fe－Cu原電池增大納米鐵粉去除NO3－的反應速率)

【解析】

(1)依據題干熱化學方程式，結合蓋斯定律進行計算；

(2)①化學平衡常數=；

②2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)3CH4(g)＋Fe2O3(s)，根據圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象，CO百分含量由小到大的順序為Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，結合化學平衡移動分析解答；根據溫度對平衡的影響來判斷，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉化率減小，據此判斷ΔH4大小；

③在T℃下，向某恒容密閉容器中加入3molCH4(g)和2mol Fe2O3(s)進行反應：3CH4(g)＋Fe2O3(s)2Fe(s)＋H2(g)＋3CO(g)；反應起始時壓強為P0，反應進行至10min時達到平衡狀態，測得此時容器的氣體壓強是起始壓強的2倍，列出三段式，求用Fe2O3(s)表示的平均反應速率；Kp＝；若起始時向該容器中加入2molCH4(g)、4mol Fe2O3(s)、1molFe(s)、2mol H2(g)、2molCO(g)，根據QC與K的關系判斷反應進行的方向；

(3)①pH偏低，氫離子濃度偏大，則鐵可與氫離子反應生成氫氣；

②由圖2可知銅離子濃度越大，去除率越大，銅離子可起到催化作用，也可能形成原電池反應。

(1)已知：①H2O(l)=H2(g)＋O2(g)　ΔH1＝＋285.5 kJ/mol；②6FeO(s)＋O2(g)=2Fe3O4(s)　ΔH2＝－313.2 kJ/mol；③3FeO(s)＋H2O(l)=H2(g)＋Fe3O4(s)　ΔH3；由蓋斯定律可得：③=①+×②，則ΔH3=ΔH1+×ΔH2=＋285.5 kJ/mol+×(－313.2 kJ/mol)=＋128.9 kJ/mol；

(2)①3CH4(g)＋Fe2O3(s)2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)的化學平衡常數表達式為；

②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”金屬鐵，然后分別充入a molCO和2a mol H2，發生反應2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)3CH4(g)＋Fe2O3(s)，根據圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象，CO百分含量由小到大依次為：Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，T1中的狀態轉變成T2中的狀態，CO百分含量減小，說明平衡正向移動，說明T1未達平衡狀態，T2中的狀態轉變成T3中的平衡狀態，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，一定達到化學平衡狀態的是Ⅲ；2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)3CH4(g)＋Fe2O3(s)，該反應正反應為放熱反應，則上述反應3CH4(g)＋Fe2O3(s)2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)的ΔH4大于0；

③在T℃下，向某恒容密閉容器中加入3molCH4(g)和2mol Fe2O3(s)進行上述反應，反應起始時壓強為P0，反應進行至10min時達到平衡狀態，測得此時容器的氣體壓強是起始壓強的2倍，設消耗甲烷的物質的量為xmol，則：

壓強之比為氣體物質的量之比，則平衡時氣體物質的量為6mol，列式為3x+2x+x＝6，解得x＝1.5mol，10 min內用Fe2O3(s)表示的平均反應速率為=8g/min，T℃下該反應的Kp ====P06；假設容器的體積為1L，則在T℃下，平衡時有1.5molCH4(g)，3molH2(g)，1.5molCO(g)，該反應的平衡常數K= ==36；若起始時向該容器中加入2molCH4(g)、4mol Fe2O3(s)、1molFe(s)、2mol H2(g)、2molCO(g)，QC= ==26<K, 平衡正向移動，則起始時v (正)>v (逆)；

(3)①pH偏低，氫離子濃度偏大，則鐵可與氫離子反應生成氫氣，可導致NO3-的去除率下降；

②由圖2可知銅離子濃度越大，去除率越大，銅離子可起到催化作用，也可能形成原電池反應。