Question

【题目】铁是一种在生产和生活中应用广泛的金属元素。己知：

反应Ⅰ：Fe2O3(s)+ 3H2(g)=2Fe(s)+3H2O(g) ΔH1= +89 .6kJ /mol

反应Ⅱ：4Fe2O3(s)+Fe(s)=3Fe3O4(s) ΔH2=+2833.4kJ/mol

反应Ⅲ：Fe(s)+2HCl(g)FeCl2(l)+H2(g) ΔH3

（1）反应Ⅰ的平衡常数表达式K=______________，该反应在高温下进行，最易生成的副产物是________________ （填化学式）。

（2）温度为T1时，恒容密闭容器中发生反应Ⅲ，反应时间与体系压强关系如图a所示，体系温度与HCl转化率关系如图b所示。

①分析图a，容器内通入少量水蒸气的作用是___________________。

②分析图b，ΔH3________0（填“>”、“<”或“=”），结合图a分析，T1=___________℃。

③分析图b，高于500℃后，曲线n发生的副反应热化学方程式为________________________________， 曲线n中HCl转化率明显降低的原因是____________________________________。

（3）①CaFeO4可制作半导体材料，向1L的高铁酸钠(Na2FeO4)溶液中加入0.0056g生石灰开始生成CaFeO4沉淀，原高铁酸钠溶液的物质的量浓度为________mol/L。已知Ksp(CaFeO4)=4.54×10-9，溶液体积变化忽略不计。

②用K2FeO4代替MnO2制备的碱性干电池(KOH做电解液)具有能量密度大、寿命长、无污染等优点，正极反应生成Fe2O3，写出正极的电极反应式______________________________。

Answer 1

【答案】 Fe3O4 催化剂 < 400 3Fe(s)+4H2O(g)= Fe3O4(s)+4H2(g) ΔH=+825.0 kJ/mol 副反应产生的H2使反应Ⅲ平衡左移，HCl(g)转化率下降 4.54×10-5 2FeO42-+6e-+5H2O=Fe2O3+10OH-

【解析】本题以铁为载体考查化学反应原理，涉及到的考点有平衡常数表达式、图像、Ksp的计算、电极反应式的书写等。（1）反应Ⅰ的平衡常数表达式K=；高温下反应时，生成的Fe与水蒸气反应生成Fe3O4，该反应在高温下进行，最易生成的副产物是Fe3O4；（2）①由图像a可知，加入少量水蒸气与未加入水蒸气相比，加入少量水蒸气时，反应III达到平衡时间短，故容器内通入少量水蒸气的作用是催化剂；②图b中随着温度升高，HCl的转化率减小，即升高温度，平衡向逆向移动，故ΔH3<0；分析图a可知，反应前的压强为4atm，平衡后的压强为2.4atm。设HCl的起始量为amol，则有：

　　　　　　 Fe(s)+2HCl(g)FeCl2(l)+H2(g)

起始量/mol a 0

变化量/mol 2x x

平衡量/mol a-2x x

，则，得x=0.4a，HCl的转化率为：，结合图像b可知，此时温度为400℃；③根据图像b可知，温度高于500℃后，含有水蒸气的曲线n，HCl的转化率急剧降低，说明平衡向逆向反应，副反应产生氢气使平衡向逆向移动，HCl的转化率降低，故曲线n发生的副反应为铁与水蒸气在高温下反应生成四氧化三铁和氢气，将(反应II-反应I×4)÷3得曲线n发生的副反应热化学方程式为：3Fe(s)+4H2O(g)= Fe3O4(s)+4H2(g) ΔH=+825.0 kJ/mol；（3）①0.0056g生石灰加入1L高铁酸钠(Na2FeO4)溶液中，其c(Ca2+)=1×10-4mol/L，结合Ksp(CaFeO4)=4.54×10-9，得原高铁酸钠溶液的物质的量浓度为4.54×10-5mol/L；②根据题意可知，正极上发生反应的离子FeO42-还原为Fe2O3，结合溶液呈碱性可得电极反应式为：2FeO42-+6e-+5H2O=Fe2O3+10OH-。