Question

3．高炉炼铁是冶炼铁的主要方法，发生的主要反应为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）△H=a kJ•mol^-1．
（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨，s）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨，s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
则a=-28.5．
（2）冶炼铁反应的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$，温度升高后，K值减小（填“增大”、“不变”或“减小”）．
（3）在T℃时，该反应的平衡常数K=64，在2L的恒容密闭容器甲和乙中，分别按如表所示数据加入物质，反应经10分钟后达到平衡．

	Fe2O3	CO	Fe	CO2
甲/mol	1.0	1.0	1.0	1.0
乙/mol	1.0	2.0	1.0	1.0

①甲容器中：CO的平衡转化率为60%，反应从开始到平衡CO₂平均反应速率=0.03mol/（L．min）．
②下列说法正确的是abc（填字母）．
a．容器内气体密度恒定时，标志反应达到平衡状态
b．甲容器中CO的平衡转化率大于乙的
c．甲、乙两容器中，CO的平衡浓度之比为2：3
d．增加Fe₂O₃的量可以提高CO的转化率．

Answer 1

分析 （1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨，s）═2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJ•mol^-1
②C（石墨，s）+CO₂（g）═2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②×3可得：Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），则△=△H₁-3△H₂；
（2）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
由（1）中可知正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
（3）①令平衡时参加反应的CO为xmol，表示出平衡时各组分的物质的量，根据平衡常数列方程计算x，转化率=$\frac{物质的量变化量}{起始物质的量}$×1005，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂）；
②a．反应前后气体质量变化，体积不变，随反应进行气体密度发生变化，若容器内气体密度恒定时，标志反应达到平衡状态；
b．甲为等效平衡，平衡时CO的含量相等，结合①中计算数据可知乙中平衡时CO的浓度，进而计算转化率判断；
c．甲为等效平衡，平衡时CO的含量相等，CO的含量=$\frac{CO平衡浓度}{混合气体总浓度}$；
d．固体量增加不影响化学平衡，增加Fe₂O₃不能提高CO的转化率；

解答 解：（1）已知：①Fe₂O₃（s）+3C（石墨）=2Fe（s）+3CO（g）△H₁=+489.0kJmol^-1
②C（石墨）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJmol^-1
依据盖斯定律，①-②×3得Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g），故△H=489.0kJmol^-1-3×172.5kJmol^-1=-28.5kJmol^-1，
故答案为：-28.5；
（2）Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）的平衡常数K=$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$，该反应是放热反应，升温平衡逆向进行，平衡常数减小；
故答案为：$\frac{{c}^{3}（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）}$；减小；
（3）①在T℃时，该反应的平衡常数K=64，甲容器内浓度商Qc=1，小于平衡常数，反应向正反应进行，设消耗一氧化碳物质的量为x，则：
        Fe₂O₃（s）+3CO（g）?2Fe（s）+3CO₂（g）
起始量（mol）：1                1
变化量（mol）：x                x
平衡量（mol）：1-x              1+x
反应前后气体体积不变，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，故 $\frac{（1+x）^{3}}{（1-x）^{3}}$=64，解得x=0.6，
故CO的转化率=$\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
v（CO₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L．min），
故答案为：60%； 0.03mol/（L．min）；
②a．反应前后气体质量变化，体积不变，随反应进行气体密度发生变化，若容器内气体密度恒定时，标志反应达到平衡状态，故a正确；
b．甲为等效平衡，平衡时CO的含量相等，结合①中计算数据可知乙中平衡时CO的浓度为3mol/L×$\frac{0.4}{2}$=0.6mol/L，故乙中CO的转化率为$\frac{\frac{2mol}{2L}-0.6mol/L}{1mol/L}$=40%，故甲中CO转化率更大，故b正确；
c．甲为等效平衡，平衡时CO的含量相等，由于CO的含量=$\frac{CO平衡浓度}{混合气体总浓度}$，则平衡时甲、乙中CO的平衡浓度之比为2mo/L：3mol/L=2：3，故c正确；
d．Fe₂O₃为固体量，增加其用量，不影响化学平衡移动，不能提高CO的转化率，故d错误，
故选：abc．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡常数、反应热计算等，（3）中②为易错点，容易根据等效平衡认为转化率相等，难度中等．