Question

6．以硫铁矿（主要成分为FeS₂）为原料制取硫酸，其烧渣可用来炼铁．

（1）煅烧硫铁矿时发生反应：FeS₂+O₂-→Fe₂O₃+SO₂（未配平）．当产生448L（标准状况）SO₂时，消耗O₂的物质的量为27.5mol．
（2）Fe₂O₃用CO还原焙烧的过程中，反应物、生成物和温度之间的关系如图1所示．（图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四条曲线是四个化学反应平衡时的气相组成对温度作图得到的；A、B、C、D四个区域分别是Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe稳定存在的区域）
已知：3Fe₂O₃（s）+CO（g）═2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）；△H₁=a kJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）═3FeO（s）+CO₂（g）；△H₂=b kJ•mol^-1
FeO（s）+CO（g）═Fe（s）+CO₂（g）；△H₃=c kJ•mol^-1
①反应Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=$\frac{（a+2b+6c）}{3}$kJ•mol^-1（用含a、b、c的代数式表示）．
②800℃时，混合气体中CO₂体积分数为40%时，Fe₂O₃用CO还原焙烧反应的化学方程式为Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂．
③据图分析，下列说法正确的是ac（填字母）．
a．温度低于570℃时，Fe₂O₃还原焙烧的产物中不含FeO
b．温度越高，Fe₂O₃还原焙烧得到的固体物质组成中Fe元素的质量分数越高
c．Fe₂O₃还原焙烧过程中及时除去CO₂有利于提高Fe的产率
（3）FeS₂是Li/FeS₂电池（示意图如右图）的正极活性物质．
①FeSO₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200℃时以等物质的量连续反应24h后得到FeS₂．写出该反应的离子方程式：Fe²⁺+S₂O₃^2-+S+H₂O$\frac{\underline{\;200℃\;}}{\;}$FeS₂+2H⁺+SO₄^2-．
②$\frac{Li}{Fe{S}_{2}}$电池的负极是金属Li，电解液是含锂盐的有机溶液．电池放电反应为FeS₂+4Li═Fe+4Li⁺+2S^2-．该反应可认为分两步进行：第1步，FeS₂+2Li═2Li⁺+FeS${\;}_{2}^{2-}$，则第2步正极的电极反应式为FeS₂^2-+2e^-=2S^2-+Fe．

Answer 1

分析 （1）煅烧硫铁矿时发生反应：FeS₂+O₂-→Fe₂O₃+SO₂，结合原子守恒和电子守恒配平书写化学方程式，结合定量关系计算；
（2）①依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
②800℃时，混合气体中CO₂体积分数为40%时，图象分析可知Fe₂O₃用CO还原得到氧化亚铁和一氧化碳；
③a、由图可知，FeO在C区稳定，对应的温度高于570℃；
b、对于反应II知，升高温度时，CO₂%减小，即升温平衡逆向移动，FeO转化成Fe₃O₄，Fe%减小，Fe%含量由高到低为：Fe＞FeO＞Fe₃O₄＞Fe₂O₃；
c、分离CO₂可使四个反应的平衡均正向移动；
（3）①FeS；O₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200℃连续反应24小时，四种物质以等物质的量反应生成二硫化亚铁，利用元素守恒和电子守恒写出；
②原电池原理可知，负极是Li失电子发生氧化反应，FeS₂得到电子生成硫离子和铁，该反应可认为分两步进行：第1步，FeS₂+2Li═2Li⁺+FeS₂^2-，负极反应式为Li-e^-=Li⁺，用总反应减去第1步反应得，2Li+FeS₂^2-=Fe+2Li⁺+2S^2-，用该反应减去负极反应式，消去Li⁺即可得正极反应式的第2步电极反应式．

解答 解：（1）FeS₂中铁元素由+2价升高到+3价，硫元素由-1价升高到+4价，FeS₂共升高11价，O2共降低2×2=4价，配平得4FeS₂ +11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂，根据“11O₂～8SO₂”知，生成20 mol SO₂时，消耗O₂为11×20/8=27.5mol配平的化学方程式为：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，当产生448L（标准状况）SO₂时物质的量=$\frac{448L}{22.4L/mol}$=20mol，消耗O₂的物质的量为27.5mol，
故答案为：27.5 mol；
（2）①、3Fe₂O₃（s）+CO（g）═2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）；△H₁=a kJ•mol^-1
②、Fe₃O₄（s）+CO（g）═3FeO（s）+CO₂（g）；△H₂=b kJ•mol^-1
③、FeO（s）+CO（g）═Fe（s）+CO₂（g）；△H₃=c kJ•mol^-1
①依据盖斯定律计算（①+2×②+6×③）×$\frac{1}{3}$得到反应的热化学方程式：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=$\frac{（a+2b+6c）}{3}$KJ/mol，
故答案为：$\frac{（a+2b+6c）}{3}$；
②800℃时，混合气体中CO₂体积分数为40%时，由图可知，“800℃、CO₂体积分数为40%”时，在C区，此时为FeO的稳定区域，故产物为FeO，Fe₂O₃用CO还原得到氧化亚铁和一氧化碳，反应的化学方程式为：Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂，
故答案为：Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂；
③a、由图可知，FeO在C区稳定，对应的温度高于570℃，故a正确；
b、Fe%含量由高到低为：Fe＞FeO＞Fe₃O₄＞Fe₂O₃，对于反应II知，升高温度时，CO₂%减小，即升温平衡逆向移动，FeO转化成Fe₃O₄，Fe%减小，所以含量不仅与T有关，还与CO气体的比例有关，故b错误；
c、分离CO₂可使四个反应的平衡均正向移动，有利于Fe含量的增加，故c正确，
故答案为：ac；
（3）①FeSO₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200℃连续反应24小时，四种物质以等物质的量反应生成二硫化亚铁，反应的化学方程式，FeSO₄+Na₂S₂O₃+S+H₂O═FeS₂↓+H₂SO₄+Na₂SO₄，反应的离子方程式为：Fe²⁺+S₂O₃^2-+S+H₂O$\frac{\underline{\;200℃\;}}{\;}$FeS₂+2H⁺+SO₄^2-，
故答案为：Fe²⁺+S₂O₃^2-+S+H₂O$\frac{\underline{\;200℃\;}}{\;}$FeS₂+2H⁺+SO₄^2-；
②原电池反应为FeS₂+4Li═Fe+4Li⁺+2S^2-．原电池原理可知，负极是Li失电子发生氧化反应，FeS₂得到电子生成硫离子和铁，该反应可认为分两步进行：第1步，FeS₂+2Li═2Li⁺+FeS₂^2-，负极反应式为Li-e^-=Li⁺，用总反应减去第1步反应得，2Li+FeS₂^2-=Fe+2Li⁺+2S^2-，用该反应减去负极反应式，消去Li⁺即可得正极反应式的第2步电极反应式为FeS₂^2-+2e^-=2S^2-+Fe，
故答案为：FeS₂^2-+2e^-=2S^2-+Fe．

点评 本题考查了热化学方程式书写，原电池原理分析，化学平衡的应用，主要是图象分析判断，掌握基础是解题关键，题目难度中等．