Question

10．碳酸亚铁（FeCO₃）是菱铁矿的主要成分．将 FeCO₃ 加热到 200℃开始分解为 FeO 和CO₂，若在空气中高温煅烧 FeCO₃ 则生成 Fe₂O₃．一定条件下 Fe₂O₃ 可被甲烷还原为“纳米级”的金属铁．其反应为：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H=？
（1）反应在 5L 的密闭容器中进行，2min 后达到平衡，测得固体质量减少 4.8g．同时测得反应吸收热量 28.8KJ，则该段时间内 H2 的平均反应速率为0.06mol•（L•min）^-1．该反应的△H=+288KJ/mol．
（2）将一定质量的 Fe₂O₃（s）和 CH₄（g）置于恒温恒压容器中，在一定条件下反应，能表明该反应达到平衡状态的是A C．
A、固体的总质量不变                      B、v_正（CO）=2v_逆（H ₂）
C、混合气体的平均相对分子质量不变        D、CH₄ 的转化率等于 CO 的产率
（3）已知：t℃时，FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）   K=0.5
若在 1L 密闭容器中加入 0.4mol FeO（s），并通入 x molCO，t℃时反应达到平衡．此时 FeO（s）的转化率为 20%，则 x=0.24 mol．
（4）FeCl₃在溶液中分三步水解：
Fe³⁺+H₂O?Fe（OH）²⁺+H⁺   K₁
Fe（OH）²⁺+H₂O?Fe（OH）${\;}_{2}^{+}$+H⁺ K₂
Fe（OH）${\;}_{2}^{+}$+H₂O?Fe（OH）₃+H⁺ K₃
①以上水解反应的平衡常数 K₁、K₂、K₃由大到小的顺序是K₁＞K₂＞K₃
②但中学化学通常要求书写 Fe³⁺水解的离子方程式为Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺
（5）已知常温下 Ksp[Fe（OH）₃]=2.7×10^-39，根据溶度积数据，请计算出氢氧化铁固体与盐酸反应：Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O 的平衡常数为2.7×10³．

Answer 1

分析 （1）根据方程式知，2min 后达到平衡，测得固体质量减少 4.8g．
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），△m
160                                 112                           6                   48
                                                                   0.6mol               4.8g
反应时有0.6mol氢气生成，同时测得反应吸收热量 28.8KJ，根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算该段时间内氢气平均反应速率，计算得到反应的焓变；
（2）反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分浓度保持不变，据此分析；
（3）结合化学平衡三行计算列式计算，此时 FeO（s）的转化率为 20%，
                      FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）
起始量（mol）   0.4           x             0               0
变化量（mol）0.4×20%      0.08        0.08         0.08
平衡量（mol）0.4-0.08       x-008       0.08        0.08
K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$计算得到；
（4）①铁离子的水解分为三步，且水解程度逐渐减弱，所以水解平衡常数逐渐减小；
②铁离子水解一步写出，反应生成氢氧化铁和氢离子；
（5）Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O 的平衡常数K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$×$\frac{{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{Ksp}{（K{w}^{3}）}$；

解答 解：（1）根据方程式知，2min 后达到平衡，测得固体质量减少 4.8g．
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），△m
 160                               112                          6                  48
                                                                0.6mol               4.8g
根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$，v（H₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{5L}}{2min}$═0.06mol•（L•min）^-1，
0.66mol氢气生成放热28.8KJ，则生成6mol氢气吸收热量=288KJ，△H=+288KJ/mol，
故答案为：0.06mol•（L•min）^-1，△H=+288KJ/mol；
（2）A、固体的总质量不变，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故A正确；
B、速率之比等于醋酸计量数之比，2v_正（CO）=v_正（H ₂），当2v_正（CO）=v_逆（H ₂）说明反应达到平衡状态，但v_正（CO）=2v_逆（H ₂）不能说明反应达到平衡状态，故B错误；
C、反应前后气体的物质的量和质量都不同，所以混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态，混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态，故C正确；
D、CH₄的转化率与CO的产率与是否达到平衡状态无关，故D错误；
故答案为：A C；
（3）结合化学平衡三行计算列式计算，此时 FeO（s）的转化率为 20%，
                     FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）
起始量（mol） 0.4          x              0             0
变化量（mol）0.4×20%   0.08        0.08         0.08
平衡量（mol）0.4-0.08   x-008       0.08         0.08
固体不写入破坏神表达式，K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=$\frac{0.08}{x-0.08}$=0.5，
x=0.24，
故答案为：0.24；
（4）①铁离子的水解分为三步，且水解程度逐渐减弱，所以水解平衡常数逐渐减小，则K₁＞K₂＞K₃；
故答案为：K₁＞K₂＞K₃；
②铁离子水解一步写出，反应生成氢氧化铁和氢离子，书写 Fe³⁺水解的离子方程式为：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，
故答案为：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺；
（5）已知常温下 Ksp[Fe（OH）₃]=2.7×10^-39，根据溶度积数据，
Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O，反应 的平衡常数K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$×$\frac{{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{Ksp}{（K{w}^{3}）}$=$\frac{2.7×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-14}）^{3}}$=2.7×10³，
故答案为：2.7×10³；

点评 本题考查铁的化合物性质的应用、溶度积常数计算、平衡常数影响因素和计算、平衡移动影响因素等，需要学生具备扎实的基础与灵活运用难度，题目难度中等．