Question

13．金屬鐵鹽或其氧化物在生產(chǎn)生活和科學實驗中應用廣泛．
（1）一定條件下Fe₂O₃與甲烷反應制取納米級鐵，同時生成CO和H₂．
已知：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-27.6kJ/mol
CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol
①反應Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）的△H＞0（填“＞”、“＜”或“=”）
②若該反應在5L的密閉容器中進行，1min后達到平衡，測得體系中固體質(zhì)量減少0.96g．則該段時間內(nèi)CO的平均反應速率為0.012mol/（L•min）．
③若該反應在恒溫恒壓容器中進行，能表明該反應達到平衡狀態(tài)的是b、d（選填序號）
a．c（CH₄）=c（CO）
b．固體的總質(zhì)量不變 
c．v（CO）與v（H₂）的比值不變
d．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
④該反應的化學平衡常數(shù)的負對數(shù)pK隨反應溫度T的變化曲線如下圖．試用平衡移動原理解釋該曲線的變化規(guī)律：該反應為吸熱反應，溫度越高反應進行的程度越大，K越大，則pK越�。�若700℃時測得c_平衡（H₂）=1.0mol•L^-1，則CH₄的轉(zhuǎn)化率為50%．
（2）菱鐵礦的主要成分是：FeCO₃，實驗室中可以通過FeSO₄與NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，有關(guān)反應的離子方程式為：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O．已知K_sp[FeCO₃】=3.2×10^-11，H₂CO₃的K_a1=4.30×10^-7，K_a2=5.61×10^-11．試通過以上數(shù)據(jù)簡要計算說明該反應能進行的原因K=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（F{e}^{2+}）{c}^{2}（HC{O}_{3}^{-}）}$=$\frac{{K}_{a2}}{{K}_{sp}（FeC{O}_{3}）•{K}_{a1}}$=4.08×10⁶＞10⁶，所以反應易發(fā)生．
（3）Na₂FeO₄是一種高效凈水劑，工業(yè)上以Fe為陽極，NaOH為電解質(zhì)溶液進行電解制備，寫出陽極電極反應式：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①所求反應可根據(jù)已知熱效應的熱化學方程式推導，根據(jù)蓋斯定律計算；
②反應容器的體積為V=5L，反應經(jīng)歷的時間為△t=1min，體系中固體質(zhì)量減少0.96g，減少的固體為Fe₂O₃，增加的固體為Fe，根據(jù)元素守恒分析，實際上減少的是O元素的質(zhì)量，根據(jù)反應方程式計算生成CO的物質(zhì)的量，根據(jù)化學反應平均速率公式$\overline{r}（CO）$=$\frac{△n}{V△t}$計算；
③若該反應在恒溫恒壓容器中進行，恒壓容器中反應體系的壓強始終保持不變，體積可以改變，聯(lián)系常用判斷化學平衡的標志，如壓強，體積，密度等，據(jù)此逐項分析；
④該反應焓變＞0，表明正反應是吸熱反應，隨著溫度升高，化學平衡向正反應方向移動，則正向趨勢增大，K增大，pK減小，700℃時，pK=0，則pK=-lgK=0，所以K=1，根據(jù)化學反應的平衡常數(shù)表達式計算；
（2）實驗室中可以通過FeSO₄與NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，考慮是雙水解的反應，據(jù)此寫出反應的離子方程式，根據(jù)多重平衡規(guī)則推導該反應的平衡常數(shù)，從平衡常數(shù)角度說明該反應能進行的原因；
（3）工業(yè)上以Fe為陽極，NaOH為電解質(zhì)溶液進行電解制備Na₂FeO₄，電解池中陽極發(fā)生的反應為Fe失去電子，發(fā)生氧化反應，考慮到溶液中的NaOH存在，則電解產(chǎn)物為FeO₄^2-，據(jù)此寫出陽極的電極反應．

解答 解：（1）由①Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H₁=-27.6kJ/mol，
②CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₂=+206.4kJ/mol，
 ③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.0kJ/mol，
反應Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）可由3×（②-③）+①得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應的焓變?yōu)椤鱄=3×（△H₂-△H₃）+△H₁=+714.6kJ/mol＞0，
故答案為：＞；
②反應容器的體積為V=5L，反應經(jīng)歷的時間為△t=1min，體系中固體質(zhì)量減少0.96g，減少的固體為Fe₂O₃，增加的固體為Fe，根據(jù)元素守恒分析，實際上減少的為O元素的質(zhì)量，物質(zhì)的量為$\frac{0.96g}{16g/mol}$═0.06mol，根據(jù)反應方程式，則生成CO的物質(zhì)的量為△n（CO）=0.06mol，則生成CO的化學反應平均速率為$\overline{r}（CO）=\frac{△n（CO）}{V△t}$=$\frac{0.06mol}{5L×1min}$=0.012mol/（L•min），
故答案為：0.012mol/（L•min）；
③反應為：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），若該反應在恒溫恒壓容器中進行，恒壓容器中反應體系的壓強始終保持不變，體積可以改變，隨著反應進行，容器體積增大，
a．CH4時反應物，CO是生成物，平衡時二者的物質(zhì)的量濃度關(guān)系需根據(jù)具體的CH₄的初始量決定，并不是平衡時候一定就有c（CH₄）=c（CO），故a不選；
b．由反應方程式分析，反應過程中固體由Fe₂O₃轉(zhuǎn)化為Fe，相當于失去了O，固體總質(zhì)量是發(fā)生改變的，當化學反應達到平衡時，固體總質(zhì)量就保持不變，可以判斷化學反應是否達到平衡，故b選；
c．對于用化學反應速率判斷化學平衡時，需要注明是正反應速率和逆反應速率，否則不能說明化學反應是否達到平衡，故c不選；
d．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量為$\overline{{M}_{r}}=\frac{{m}_{氣}}{{n}_{氣}}$，根據(jù)反應方程式，體系中混合氣體的質(zhì)量值會發(fā)生改變，混合氣體總物質(zhì)的量會發(fā)生改變，當混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變時，可以說明化學反應是否達到平衡，故d選；
故答案為：b、d；
④該反應焓變＞0，表明正反應是吸熱反應，隨著溫度升高，化學平衡向正反應方向移動，則正向趨勢增大，K增大，pK減小，平衡移動原理解釋該曲線的變化規(guī)律為：該反應為吸熱反應，溫度越高反應進行的程度越大，K越大，則pK越小，
若700℃時測得c_平衡（H₂）=1.0mol/L，700℃時，pK=0，則pK=-lgK=0，所以K=1，該反應的化學平衡常數(shù)為K=$\frac{{c}^{3}（CO）{c}^{6}（{H}_{2}）}{{c}^{3}（C{H}_{4}）}$=1，則c（CO）=c（CH₄），根據(jù)化學方程式可知，平衡時c（H₂）=2c（CO），所以c（CO）=c（CH₄）=0.5mol/L，反應過程CH₄轉(zhuǎn)化的量為0.5mol/L，所以起始時CH₄的量為0.5mol/L+0.5mol/L=1mol/L，因此CH₄的轉(zhuǎn)化率為α=$\frac{0.5mol/L}{1mol/L}×100%$=50%，
故答案為：該反應為吸熱反應，溫度越高反應進行的程度越大，K越大，則pK越�。�50%；
（2）實驗室中可以通過FeSO₄與NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，考慮是雙水解的反應，則有關(guān)反應的離子方程式為：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
該反應的化學平衡常數(shù)為K=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{{c}^{2}（HC{O}_{3}^{-}）c（F{e}^{2+}）}$=$\frac{{K}_{a2}}{{K}_{sp}（FeC{O}_{3}）{K}_{a1}}$=$\frac{5.61×1{0}^{-11}}{3.2×1{0}^{-11}×4.30×1{0}^{-7}}$=4.08×10⁶＞10⁶，所以該反應易發(fā)生，
故答案為：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O；K=$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（F{e}^{2+}）{c}^{2}（HC{O}_{3}^{-}）}$=$\frac{{K}_{a2}}{{K}_{sp}（FeC{O}_{3}）•{K}_{a1}}$=4.08×10⁶＞10⁶，所以反應易發(fā)生；
（3）工業(yè)上以Fe為陽極，NaOH為電解質(zhì)溶液進行電解制備Na₂FeO₄，電解池中陽極發(fā)生的反應為Fe失去電子，發(fā)生氧化反應，考慮到溶液中的NaOH存在，則電解產(chǎn)物為FeO₄^2-，則陽極電極反應式：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案為：Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

點評 本題主要考查化學原理部分知識，包含蓋斯定律的應用，化學平衡的移動，化學平衡的判斷，化學反應速率的計算，化學平衡常數(shù)的計算，電化學原理，電極反應式的書寫，題目為綜合類型的題目，涉及的知識點較多，均為高頻考點，題目難度中等．