Question

【题目】铁及其化合物在日常生活、生产中应用广泛，研究铁及其化合物的应用意义重大。试回答下列问题：

（1）已知：高炉炼铁过程中会发生如下反应：

①FeO(s)＋CO(g)===Fe(s)＋CO2(g)　ΔH1

②3Fe2O3(s)＋CO(g)===2Fe3O4(s)＋CO2(g)　ΔH2

③Fe3O4(s)＋CO(g)===3FeO(s)＋CO2(g)　ΔH3

则反应Fe2O3(s)＋3CO(g)===2Fe(s)＋3CO2(g)的ΔH的表达式为_______________________________(用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代数式表示)。

（2）上述反应在高炉中大致分为三个阶段，各阶段主要成分与温度的关系如下表：

温度/℃	250	600	1000	2000
主要成分	Fe2O3	Fe3O4	FeO	Fe

1600 ℃时固体物质的主要成分为_____________(填化学式)；若该温度下，测得固体混合物中m(Fe)∶m(O)＝35∶4，则FeO被CO还原为Fe的百分率为______________(设其他固体杂质中不含Fe、O元素)。

（3）铁的某些化合物可用作CO与H2反应的催化剂。已知某种铁的化合物可用来催化反应：CO(g) ＋ 3H2(g) CH4(g) ＋ H2O(g)　ΔH ＜0 。

在T ℃、a MPa时，将2 mol CO和6 mol H2充入某容积可变的密闭容器中，实验测得CO的物质的量在反应体系中所占百分比x(CO)如下表：

t/min	0	10	20	30	40	50
x(CO)	0.25	0.23	0.21	0.20	0.10	0.10

① T ℃ a MPa时，此反应的平衡常数K = ____________（保留1位小数）。达到平衡时CO的转化率为___________。

②上图表示该反应CO的平衡转化率与温度、压强的关系。

图中温度T1、T2、T3由低到高的顺序是________________。图中显示其它条件固定时，增加压强会导致平衡向___________(填“左”或“右”)移动。

Answer 1

【答案】2ΔH1＋ΔH2/3＋2ΔH3/3 FeO、Fe 60% 无法确定 75%或0.75 T1＜T2＜T3 右

【解析】

（1）根据盖斯定律，将所给的反应①×2+②/3+③×2/3可得：Fe2O3（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO2（g）；

（2）由表给数据可知1000℃时为FeO，在2000℃时为Fe，故在1600℃时固体物质的主要成分为FeO和Fe的混合物，依据铁、氧质量比计算物质的量比，依据物质的量比计算FeO被CO还原为Fe的百分率；

（3）①由图可知40min时反应达到平衡，平衡时CO的体积分数为0.1，依据三段式可计算平衡时CO的转化率，但容器体积无法确定，不能计算此反应的平衡常数K；

②该反应为气体物质的量减少的放热反应，升高温度，平衡左移，增大压强，平衡右移。

（1）根据盖斯定律，将所给的反应①×2+②/3+③×2/3可得：Fe2O3（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO2（g），故ΔH=2ΔH1＋ΔH2/3＋2ΔH3/3，故答案为：2ΔH1＋ΔH2/3＋2ΔH3/3；

（2）根据在1000℃时为FeO，在2000℃时为Fe，故在1600℃时固体物质的主要成分为FeO和Fe的混合物；设混合物中FeO的物质的量为xmol，Fe的物质的量为ymol，则有：（x+y）/x=(35/56)/(4/16)，得x：y=3：2，故剩余的FeO和被还原为铁的FeO的物质的量之比为3：2，则可知被还原的FeO的百分比为3/(3+2)×100%=60%，故答案为：FeO和Fe；60%；

(3) ①设反应达平衡时CO转化了xmol，则根据三段式可知：

CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g）

初始（n）：2mol 6mol 0 0

△n： xmol 3xmol xmol xmol

平衡（n）：（2-x）mol（6-3x）mol xmol xmol

由题给数据可知40min时反应达到平衡，平衡时CO的体积分数为0.1，则有（2-x）/(8-2x)=0.1，解得x=1.5 mol，因无法确定平衡时容器体积，无法计算平衡时浓度，故无法计算反应的平衡常数K；达到平衡时CO的转化率为=1.5mol/2mol×100%=75%，故答案为：无法确定；75%；

②反应CO（g）+3H2（g）CH4（g）+H2O（g）△H<0，升高温度，平衡左移，CO的平衡转化率越低，根据图象可知，温度T1＜T2＜T3；其它条件固定时，增加压强会导致平衡向化学计量数减小的正反应方向移动，故答案为：T1＜T2＜T3；右。