题目内容
10.碳酸亚铁(FeCO3)是菱铁矿的主要成分,将其在空气中高温煅烧能生成Fe2O3.再将Fe2O3在一定条件下还原可得“纳米级”的金属铁,而“纳米级”的金属铁则可用于制造固体催化剂.(1)已知25℃,101kPa时:
①CO2(g)=C(s)+O2(g)△H=+393kJ•mol-1
②铁及其化合物反应的焓变示意图如图1:
请写出FeCO3在空气中煅烧生成Fe2O3的热化学方程式4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)△H=-260kJ•mol-1.
(2)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该反应的平衡常数K的表达式为$\frac{{c}^{3}(CO).{c}^{6}({H}_{2})}{{c}^{3}(C{H}_{4})}$.
②该反应在3L的密闭容器中进行,2min后达到平衡,测得Fe2O3在反应中质量减少4.8g,则该段时间内用H2表示该反应的平均反应速率为0.03mol•L-1•min-1.
③在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量Fe2O3,然后分别充入a mol CH4,三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且恒定不变,在其他条件相同的情况下,实验测得反应均进行到t min时CO的体积分数如图2所示,此时Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个容器中一定处于化学平衡状态的是III;上述反应的△H小于0(填“大于”或“小于”).
(3)还原的铁通过对N2、H2吸附和解吸可作为合成氨的固体催化剂.若用
①吸附后,能量状态最低的是C(填字母序号).
②由上述原理,在铁表面进行NH3的分解实验,发现分解速率与浓度关系如图3.从吸附和解吸过程分析,c0前速率增加的原因可能是随着气相NH3浓度的增加,催化剂的吸附率升高,固相NH3浓度增加,NH3的分解速率加快;c0后速率降低的原因可能是催化剂吸附达到饱和,同时不利于解吸,NH3的分解速率降低.
分析 (1)图1分析书写热化学方程式,结合C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393kJ•mol-1和盖斯定律计算得到FeCO3在空气中煅烧生成Fe2O3的热化学方程式;
(2)①化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比;
②2min后达到平衡,测得Fe2O3在反应中质量减少4.8g,依据化学方程式反应前后质量变化计算生成氢气的物质的量,根据反应速率概念计算得到氢气的反应速率;
③2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),根据图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象,CO百分含量,由小到大,Ⅱ<Ⅰ<Ⅲ,结合化学平衡移动分析解答;根据温度对平衡的影响来判断,升高温度平衡逆向移动,CO的转化率减小,据此判断Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)△H大小;
(3)①化学键的断裂要吸收能量,且该反应放热;
②c0前氨的浓度增加,导致反应速率加快;c0后由于氨分子浓度太大阻碍N2和H2的解吸.
解答 解:(1)①C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393kJ•mol-1
铁及其化合物反应的焓变示意图如图1:写出热化学方程式为:
②2Fe(s)+2C(s)+3O2(g)=2FeCO3(s)△H=+1480KJ/mol,
③4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s)△H=-1648KJ/mol
盖斯定律计算①×4-(②×2-③)得到FeCO3在空气中煅烧生成Fe2O3的热化学方程式:4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)△H=-260 kJ•mol-1,
故答案为:4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)△H=-260 kJ•mol-1;
(2)①化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比,该反应化学平衡常数K=$\frac{{c}^{3}(CO).{c}^{6}({H}_{2})}{{c}^{3}(C{H}_{4})}$,
故答案为:$\frac{{c}^{3}(CO).{c}^{6}({H}_{2})}{{c}^{3}(C{H}_{4})}$;
②Fe2O3(s)+3CH4(g)═6H2(g)+2Fe(s)+3CO(g)
1mol 6mol
$\frac{4.8g}{160g/mol}$ n
1mol:6mol=$\frac{4.8g}{160g/mol}$:n
n=0.18mol
氢气表示的反应速率=$\frac{\frac{0.18mol}{3L}}{2min}$=0.03 mol•L-1•min-1,
故答案为:0.03 mol•L-1•min-1;
③在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量“纳米级”的金属铁,然后分别充入a molCO和2amol H2,2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),根据图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象,CO百分含量,由小到大依次为:Ⅱ<Ⅰ<Ⅲ,T1中的状态转变成T2中的状态,CO百分含量减小,说明平衡正向移动,说明T1未达平衡状态,T2中的状态转变成T3中的平衡状态,CO百分含量增大,说明平衡逆向移动,说明T2可能达平衡状态,一定达到化学平衡状态的是Ⅲ,2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),该反应正反应为放热反应,上述反应Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)的△H<0,
故答案为:III;小于;
(3)①由于化学键的断裂要吸收能量,故活化状态B的能量高于初始状态A的能量,而此反应为放热反应,故初始状态A的能量高于末态C的能量,故C的能量最低;
故答案为:C;
②c0前氨的浓度增加,导致反应速率加快;c0后由于氨分子浓度太大阻碍N2和H2的解吸,故反应速率减慢;
故答案为:随着气相NH3浓度的增加,催化剂的吸附率升高,固相NH3浓度增加,NH3的分解速率加快;催化剂吸附达到饱和,同时不利于解吸,NH3的分解速率降低.
点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡影响因素、盖斯定律等知识点,为高频考点,侧重考查学生分析、计算能力,明确外界条件对化学平衡移动影响原理、盖斯定律原理是解本题关键,难点是(2)③的判断.
| 序号 | 金属质量 g | 金属状态 | c(H2SO4) mol•L-1 | V(H2SO4) mL | 溶液温度/℃ | 金属消失的 时间/s | |
| 反应前 | 反应后 | ||||||
| 1 | 0.10 | 丝 | 0.5 | 50 | 20 | 34 | 500 |
| 2 | 0.10 | 粉末 | 0.5 | 50 | 20 | 35 | 50 |
| 3 | 0.10 | 丝 | 0.7 | 50 | 20 | 36 | 250 |
| 4 | 0.10 | 丝 | 0.8 | 50 | 20 | 35 | 200 |
| 5 | 0.10 | 粉末 | 0.8 | 50 | 20 | 36 | 25 |
| 6 | 0.10 | 丝 | 1.0 | 50 | 20 | 35 | 125 |
| 7 | 0.10 | 丝 | 1.0 | 50 | 35 | 50 | 50 |
| 8 | 0.10 | 丝 | 1.1 | 50 | 20 | 34 | 100 |
| 9 | 0.10 | 丝 | 1.1 | 50 | 30 | 44 | 40 |
(2)仅表明反应物浓度对反应速率产生影响的实验有1、3、4、6、8或2、5(填实验序号);
(3)本实验中影响反应速率的其他因素还有反应温度,
(4)实验中的所有反应,反应前后溶液的温度变化值(约15℃)相近,推测其原因:因为所有反应中,金属质量和硫酸溶液体积均相等,且硫酸过量,产生热量相等,故溶液温度变化值相近.
| A. | S→SO2→SO3→H2SO4 | B. | Fe→FeCl2→Fe(OH)2→Fe(OH)3 | ||
| C. | Al→Al2O3→Al(OH)3→NaAlO2 | D. | N2→NO→NO2→HNO3 |
| A. | Na+、Ba2+、NO3-、Cl- | B. | K+、Na+、H+、Cl- | ||
| C. | K+、NH4+、S2-、CO32- | D. | Cu2+、Na+、Cl-、SO42- |
①CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H1=-90.7kJ•mol-1
②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-23.5k1•mol-1
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)△H3=-41.2kJ•mol-1
(1)催化反应室中总反应的热化学方程式为3CO(g)+3H2(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)△H=-246.1kJ•mol-1.
830℃时反应③的K=1.0,则在催化反应室中反应③的K>1.0(填“>”、“<”或“=”).
(2)在某温度下,若反应①的起始浓度分别为:c(CO)=1mol/L、c(H2)=2.4mol/L,5min后达到平衡、CO的转化率为50%,则5min内CO的平均反应速率为0.1mol/(L•min).
(3)反应②2CH3OH(g)═CH3OCH3(g)+H2O(g) 在某温度下的平衡常数为400.此温度下,在密闭容器中加入CH3OH,反应到某时刻测得各组分的浓度如下:
| 物质 | CH3OH | CH3OCH3 | H2O |
| 浓度/(mol•L-1) | 0.64 | 0.50 | 0.50 |
②若加入CH3OH后,经10min反应达到平衡,此时c(CH3OH)=0.04mol•L-1.
(4)“二甲醚燃料电池”是一种绿色电源,其中工作原理如图所示.
①该电池a电极上发生的电极反应式CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+.
②如果用该电池作为电解装置,当有23g二甲醚发生反应时,则理论上提供的电量表达式为0.5mol×12×1.6×10-19C×6.02×1023
mol-1C (1个电子的电量为1.6×10-19C).