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氢是一种理想的绿色清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。利用FeO/Fe3O4循环制氢，已知：
H2O(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+4H2(g)  △H=akJ/mol （I）
2Fe3O4(s)6FeO(s)+O2(g)   △H=bkJ/mol  （II）
下列坐标图分别表示FeO的转化率（图-1 )和一定温度时，H2出生成速率[细颗粒(直径0.25 mm)，粗颗粒(直径3 mm)](图-2)。

（1）反应：2H2O(g)=2H2(g)+O2(g)  △H=          (用含a、b代数式表示)；
（2）上述反应b＞0，要使该制氢方案有实际意义，从能源利用及成本的角度考虑，实现反应II可采用的方案是：                                           ；
（3）900°C时，在两个体积均为2.0L密闭容器中分别投人0.60molFeO和0.20mol H2O(g)甲容器用细颗粒FeO、乙容器用粗颗粒FeO。
①用细颗粒FeO和粗颗粒FeO时，H2生成速率不同的原因是：               ；
②细颗粒FeO时H2O(g)的转化率比用粗颗粒FeO时H2O(g)的转化率           （填“大”或“小”或“相等”）；
③求此温度下该反应的平衡常数K（写出计箅过程，保留两位有效数字）。
（4）在下列坐标图3中画出在1000°C、用细颗粒FeO时，H2O(g)转化率随时间变化示意图（进行相应的标注）。
（16分）（1）(2a+b)kJ/mol（2分）（无kJ/mol或“2a+b kJ/mol”扣1分，其他不给分）
（2）用廉价的清洁能源供给热能（2分）（答用“太阳能”、“风能”、“地热能”、“生物能”、“核能”供给热能给3分；答“加热”、“升高温度”等均不给分）
（3）①细颗粒FeO表面积大，与H2的接触面积大，反应速率加快（3分）  （“增大接触面积，加快反应速率”、“接触面积越大，反应速率越快”等合理表述给3分；答“增大反应物浓度”、“FeO的量增加，反应速率加快”给1分）；   ②相等（2分）（答“等于”、“=”给1分）
③（4分）解：900℃时，达到平衡时FeO转化的量为：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol
H2O(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+4H2(g)
起始物质的量（mol）   0.20     0.60        0       0
变化物质的量（mol）  0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物质的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080       （2分）
由于固体物质的浓度是常数，不能写入平衡常数表达式，气体物质的浓度可以变化，根据c=n/V可求平衡时氢气和水蒸气的物质的量浓度，则K====0.67（2分）
（4）（3分）

试题分析：（1）先对已知热化学方程式编号为①②，观察发现①×2+②可得，2H2O(g)=2H2(g)+O2(g)，其焓变=①的焓变×2+②的焓变=(2a+b)kJ/mol；（2）b＞0，说明反应II是吸热反应，可用用廉价的清洁能源供给热能或用“太阳能”、“风能”、“地热能”、“生物能”、“核能”供给热能；（3）①FeO是反应I中的固体反应物，细颗粒FeO表面积大，与H2的接触面积大，反应速率加快（或“增大接触面积，加快反应速率”、“接触面积越大，反应速率越快”等）；②由于固体物质浓度是常数，FeO的用量和浓度保持不变，将粗颗粒FeO改为细颗粒FeO，只能加快反应速率，不能使平衡移动，因此H2O(g)的平衡转化率不变或相等；③解：900℃时，达到平衡时FeO转化的物质的量量为：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol，则：
H2O(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+4H2(g)
起始物质的量（mol）   0.20     0.60        0       0
变化物质的量（mol）  0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物质的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080
由于固体物质的浓度是常数，不能写入平衡常数表达式，气体物质的浓度可以变化，根据c=n/V可求平衡时氢气和水蒸气的物质的量浓度，则K====0.67；
（4）观察图1可得：随着温度的升高，FeO的平衡转化率减小，前者导致平衡向吸热方向移动，后者说明平衡向逆反应方向移动，因此逆反应是吸热反应，则反应I的正反应是放热反应；其他条件保持不变时，900℃→1000℃就是升高温度，既能加快反应速率，又能使平衡向逆反应方向移动，则H2O(g)的转化率由0逐渐增大，知道达到平衡，1000℃时达到平衡的时间比900℃时少，1000℃时H2O(g)的平衡转化率比900℃时小，由此可以画出水蒸气的转化率随温度变化的示意图。
练习册系列答案
相关题目
尿素(H2NCONH2)是一种非常重要的高氮化肥，在工农业生产中有着非常重要的地位。
（1）工业上合成尿素的反应如下：
2NH3(l)+CO2(g)H2O(l)+H2NCONH2(l)  △H=-103．7 kJ·mol-1
下列措施中有利于提高尿素的生成速率的是           
A．采用高温
B．采用高压
C．寻找更高效的催化剂
D．减小体系内CO2浓度
（2）合成尿素的反应在进行时分为如下两步：
第一步：2NH3(l)+CO2(g) H2NCOONH4(氨基甲酸铵)(l) △H1
第二步：H2NCOONH4(l) H2O(l)+H2NCONH2(l)  △H2．
某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0．5 L密闭容器中投入4 mol氨和l mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如下图I所示：

①已知总反应的快慢由慢的一步决定，则合成尿素总反应的快慢由第    步反应决定，总反应进行到   min时到达平衡。
②第二步反应的平衡常数K随温度的变化如上图II所示，则△H2    0(填“>” “<” 或 “=”)
（3）在温度70-95℃时，工业尾气中的NO、NO2可以用尿素溶液吸收，将其转化为N2
①尿素与NO、NO2三者等物质的量反应，化学方程式为
                                                            
②已知：N2(g)+O2(g)=2NO(g)．△H=180．6 kJ·mol-1
N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) △H=-92．4 kJ·mol-1
2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)  △H=-483．6 kJ·mol-1
则4NO(g)+4NH3(g)+O2(g)=4N2(g)+6H2O(g)  △H=    kJ·mol-1
（4）尿素燃料电池结构如上图III所示。其工作时负极电极反应式
可表示为                                                   。
汽车内燃机工作时产生的电火花和高温会引起反应：N2(g)＋O2(g)=2NO(g)，导致汽车尾气中的NO和NO2对大气造成污染。
（1）在不同温度（T1，T2）下，一定量的NO分解产生N2和O2的过程中N2的体积分数随时间t变化如右图所示。根据图像判断反应N2(g)＋O2(g)＝2NO(g)为_________反应（填“吸热”或“放热”），随着温度的升高，该反应的平衡常数K________（填“增大”“减小”或“不变”，平衡向________移动（填“向左”“向右”或“不”）。

（2）某温度时，向容积为1L的密闭容器中充入5mol N2与2．5molO2,发生N2(g)＋O2(g)=2NO(g)反应，2min后达到平衡状态，NO的物质的量为1mol，则2min内氧气的平均反应速率为_________，该温度下，反应的平衡常数K=________。该温度下，若开始时向上述容器中加入的N2与O2均为1mol，则N2的平衡浓度为_______mol/L。
（3）为避免汽车尾气中的有害气体对大气的污染，给汽车安装尾气净化装置。净化装置里装有含Pd等过渡元素的催化剂，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的机理如右图所示
。
写出上述变化中的总化学反应方程式：________________________________________。
（4）用催化还原的方法也可以消除氮氧化物的污染。例如：
CH4(g)＋4NO2(g)＝4NO(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)  △H＝－574kJ/mol
CH4(g)＋4NO(g)＝2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)  △H＝－1160kJ/mol
写出CH4还原NO2至N2的热化学方程式_______________________________________。
I．工业上可用CO生产燃料甲醇。一定条件下发生反应：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

（1）“图1”表示反应中能量的变化，曲线   （填“a或b”）表示使用了催化剂；该反应的热化学方程式为              。
（2）若容器容积不变，下列措施可增大CO平衡转化率的是_____。
A．升高温度
B．将CH3OH(g)从体系中分离
C．充入He，使体系总压强增大
D．再充入1 mol CO和2 mol H2
（3）其他条件不变，请在“图2”中画出温度为T2（且T2<T1）时，CO的平衡转化率与H2和CO的起始组成比[n(H2)/n(CO)]的关系曲线。

II．向BaSO4沉淀中加入饱和碳酸钠溶液，充分搅拌，弃去上层清液，如此处理多次，可使BaSO4全部转化为BaCO3，发生的反应可表示为：BaSO4(s)+CO32－(aq)BaCO3(s)+SO42－(aq)。
（4）现有0.20 mol BaSO4，加入1.0L 2.0mol/L的饱和Na2CO3溶液处理，假设起始的c(SO42－)≈0，平衡时，K=4.0×10－2，求达到平衡时发生转化的BaSO4的物质的量。（写出计算过程，计算结果保留2位有效数字）
以下是一些物质的熔沸点数据（常压）：
 
钾
钠
Na2CO3
金刚石
石墨
熔点（℃）
63.65
97.8
851
3550
3850
沸点（℃）
774
882.9
1850（分解产生CO2）
----
4250
 
金属钠和CO2在常压、890℃发生如下反应：
4 Na（g）+ 3CO2（g）2 Na2CO3（l）+ C(s，金刚石) △H=－1080.9kJ/mol
（1）上述反应的平衡常数表达式为             ；若4v正(Na)=3v逆(CO2)，反应是否达到平衡    （选填“是”或“否”）。
（2）若反应在10L密闭容器、常压下进行，温度由890℃升高到1680℃，若反应时间为10min, 金属钠的物质的量减少了0.20mol，则10min里CO2的平均反应速率为             。
（3）高压下有利于金刚石的制备，理由是                                            。
（4）由CO2（g）+4Na（g）=2Na2O（s）+C（s，金刚石） △H=－357.5kJ/mol；则Na2O固体与C（金刚石）反应得到Na（g）和液态Na2CO3（l）的热化学方程式                   。
（5）下图开关K接M时，石墨作   极，电极反应式为                 。K接N一段时间后测得有0.3mol电子转移，作出y随x变化的图象〖x—代表n(H2O)消耗，y—代表n［Al(OH)3］，反应物足量，标明有关数据〗
     
除去杂质后的水煤气主要含H2、CO，是理想的合成甲醇的原料气。
（1）生产水煤气过程中有以下反应：①C(s)+CO2(g)2CO(g)  △H1；
②CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)  △H2；③C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)  △H3；
上述反应△H3与△H1、△H2之间的关系为                       。
（2）将CH4转化成CO，工业上常采用催化转化技术，其反应原理为：2CH4(g)＋3O2(g)4CO(g)＋4H2O(g)   △H=－1038kJ/mol。工业上要选择合适的催化剂，分别对X、Y、Z三种催化剂进行如下实验（其他条件相同）：
①X在750℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×105倍；
②Y在600℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×105倍；
③Z在440℃时催化效率最高，能使逆反应速率加快约1×106倍；
根据上述信息，你认为在生产中应该选择的适宜催化剂是      （填“X”或“Y”或“Z”），选择的理由是                                                      ；
（3）请在答题卡中，画出（2）中反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。
（4）合成气合成甲醇的主要反应是：2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H=－90.8kJ·mol－1，T℃下此反应的平衡常数为160。
此温度下，在密闭容器中开始只加入CO、H2，反应10min后测得各组分的浓度如下：
物质
H2
CO
CH3OH
浓度/（mol·L－1）
0.20
0.10
0.40
 
①该时间段内平均反应速率v(H2)=                       。
②比较此时正、逆反应速率的大小：v(正)      v (逆)（填“＞”、“＜”或“＝”）
（5）生产过程中，合成气要进行循环，其目的是                                 。
最近几年我国已加大对氮氧化物排放的控制力度。消除氮氧化物污染有多种方法。
（l）用CH4还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知：
①CH4(g)＋4NO2(g)= 4NO(g)＋CO2(g)＋2H2O(g) △H=-574kJ·mol-1
②CH4(g)＋4NO (g)=2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g) △H=-1160kJ·mol-1
③H2O(g)= H2O(l) △H=-44.0kJ·mol-1
CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(1)的热化学方程式为                 。
（2）用活性炭还原法也可处理氮氧化物。有关反应为：2C(s)＋2NO2(g)=N2(g)＋2CO2(g) △H<0，起始时向密闭容器中充入一定量的C(s)和NO2(g)，在不同条件下，测得各物质的浓度变化状况如下图所示。

①0?10min内，以CO2表示的平均反应速率v(CO2)=               。
②0～10min，10?20 min，30?40 min三个阶段NO2的转化率分别为α1、α2、α3，其中最小的为         ，其值是                   。
③计算反应达到第一次平衡时的平衡常数K=            。
④第10min时，若只改变了影响反应的一个条件，则改变的条件为      (填选项字母）。
A．增加C(s)的量       B．减小容器体积      C．加入催化剂
⑤20～30min、40?50 min时体系的温度分别为T1和T2，则T1_____T2(填“> “<”或“=”）， 判断的理由是                         。
能源是人类生活和社会发展的基础，研究化学反应中的能量变化，有助于更好地利用化学反应为生产和生活服务。阅读下列有关能源的材料，回答有关问题：
（1）从能量的角度看，断开化学键要吸收能量，形成化学键要放出能量。已知拆开1 mol H－H键、1 mol I－I、1 mol H－I键分别需要吸收的能量为436 kJ、151 kJ、299 kJ。则由氢气和碘单质反应（H2+I2=2HI）生成1 mol HI需要             （填“放出”或“吸收”）      ___ kJ的热量。
（2）在生产和生活中经常遇到化学能与电能的相互转化。

在如图甲装置中，负极电极反应式为                      ，发生的是   反应（填“氧化”或“还原”，下同）。正极电极反应式为                              ；总反应的离子方程式为                                           。
（3）若用氢氧化钾溶液做电解质溶液，用氢气做燃料，空气做氧化剂制成燃料电池，其负极反应式为                    ；正极反应式为                                   。当有标状下2.24L氢气消耗时，另一极消耗氧气的物质的量为        。
（4）在如下图所示的原电池中，铝做        极，导线上电子由       极流向       极。
已知乙炔与苯蒸气完全燃烧的热化学方程式如下所示：
① 2C2H2(g) + 5O2(g)4CO2(g) + 2H2O(l) + 2600 kJ
② 2C6H6(g) +15O2(g)12CO2(g) + 6H2O(l) + 6590 kJ 
下列说法正确的是
A．2mol C2H2(g) 完全燃烧生成气态水时放热大于2600kJ
B．2mol C6H6(l) 完全燃烧生成液态水时放热小于6590kJ
C．相同条件下，等质量的C2H2(g)与C6H6(g)完全燃烧，C6H6(g)放热更多
D．C2H2(g) 三聚生成C­6H6(g) 的过程属于放热反应

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