Question

金属铁用途广泛，高炉炼铁的总反应为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）2Fe（s）+3CO₂（g），请回答下列问题：

（1）一定温度下，在体积固定的密闭容器中发生上述反应，可以判断该反应已经达到平衡的是      。

A．密闭容器中总压强不变

B．密闭容器中混合气体的平均摩尔质量不变

C．密闭容器中混合气体的密度不变

D．c（CO）= c（CO₂）

E．Fe₂O₃的质量不再变化

（2）一定温度下，上述反应的化学平衡常数为3.0，该温度下将4molCO、2molFe₂O₃、6molCO₂、5molFe加入容积为2L的密闭容器中，此时反应将向       反应方向进行（填“正”或“逆”或“处于平衡状态”）；反应达平衡后，若升高温度，CO与CO₂的体积比增大，则正反应为       反应（填“吸热”或“放热”） 。

（3）已知：3Fe₂O₃（s）+CO（g）2Fe₃O₄（s）+CO₂（g） △H=–47 kJ/mol

Fe₃O₄（s）+CO（g）3FeO（s）+CO₂（g）    △H= +19 kJ/mol

FeO（s）+CO（g）Fe（s）+CO₂（g）       △H=–11 kJ/mol

则Fe₂O₃（s）+3CO（g）2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=             。

（4）上述总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

 

800℃时固体物质的主要成分为          ，该温度下若测得固体混合物中m(Fe)︰m(O)=105︰32，则Fe₃O₄被CO还原为FeO的百分率为             （设其它固体杂质中不含Fe、O元素）。

 

Answer 1

【答案】

（16分）

（1）BCE（3分）  （2）逆（3分）   放热（2分）   （3）–25 kJ/mol （3分）  

（4）Fe₃O₄  FeO（2分）   80% （3分）

【解析】

试题分析：（1）由高炉炼铁总反应可知，该反应是气体体积或物质的量不变的反应，则恒温恒容下气体的压强始终保持不变，所以总压强不变不能说明该反应达到平衡，故A错误；由于容器内混合气体的平均摩尔质量等于总质量与总物质的量之比，虽然物质的量保持不变，但是混合气体的质量逐渐增大，因为氧化铁变为单质铁导致固体的质量减少，所以混合气体的平均摩尔质量逐渐增大，当它保持不变时，说明该反应已达平衡，故B正确；由于容器中混合气体的密度等于总质量与容积之比，虽然容积保持不变，但是混合气体的总质量逐渐增大，则混合气体的密度逐渐增大，当它不变时，说明该反应已达平衡，故C正确；平衡时各组分的浓度都保持不变，但是平衡浓度之比不一定等于化学方程式中系数之比，故D错误；氧化铁是反应物或原料，随着反应的进行，氧化铁被消耗，其质量逐渐减小，当它的质量不再变化，说明该反应已达平衡，故E正确；（2）温度不变，该反应化学平衡常数[K=c³(CO₂)/c³(CO)]不变；起始时c³(CO₂)/c³(CO)=(6/2) ³/(4/2) ³=27/8>K=3.0，则此时反应必须向逆反应方向进行，使生成物浓度减小、反应物浓度增大，c³(CO₂)/c³(CO)的比值才能减小为3.0，才能达到该温度下的化学平衡；由于化学平衡常数等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值，则该反应的平衡常数为c(E)/[c²(A)·c(B)]；升高温度，CO与CO₂的体积比增大，后者说明平衡向逆反应方向移动，前者导致平衡向吸热反应方向移动，即逆反应是吸热反应，则正反应是放热反应；（3）先将四个热化学方程式依次编号为①②③④，观察已知焓变和未知焓变的热化学方程式可得：（①+②×2+③×6）/3=④，根据盖斯定律可知，④的焓变=[（–47）+（+19）×2+（–11）×6] kJ/mol /3=–25 kJ/mol；（4）依题意可知，800℃时固体物质的主要成分为Fe₃O₄、FeO；设固体混合物含有xmolFe₃O₄、ymolFeO，则n(Fe)=(3x+y)mol、n(O)=(4x+y)mol，m(Fe)=56×(3x+y)g、m(O)=16×(4x+y)g，m(Fe)/ m(O)=[ 56×(3x+y)]/[ 16×(4x+y)]=105/32，(4x+y)/ (3x+y)=112/105，x/(3x+y)=1/15，则y=15x；由于Fe₃O₄（s）+CO（g）3FeO（s）+CO₂（g），根据系数之比等于物质的量之比可知，被CO还原为ymolFeO的Fe₃O₄为y/3mol或4xmol，则总的Fe₃O₄为(x+y/3)mol或5xmol，被还原的Fe₃O₄与总的Fe₃O₄之比为(y/3)/ (x+y/3)=(4x)/(x+4x)=4/5，4/5×100%=80%，则Fe₃O₄被CO还原为FeO的百分率为80%。

考点：考查化学反应原理，涉及化学平衡状态的判断、可逆反应进行的方向、化学平衡常数的应用、温度对化学平衡的影响、放热反应或吸热反应的推断、盖斯定律的应用、温度对反应进程的影响、混合物的计算等。