Question

2．铁及其化合物在工农业生产中有重要的作用．
（1）已知：①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol^-1
②C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
③4Fe（s）+3O₃（g）=2Fe₂O₃ （s）△H₃=-1651.0kJ•mol^-1
CO还原氧化铁的热化学方程式为Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-23.5kJ．mol^-1．
（2）高炉炼铁产生的高炉气中含有CO、H₂、CO₂等气体，利用CO和H₂在催化剂作用下合成甲醇，是减少污染、节约能源的一种新举措，反应原理如下：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H．在体积不同的两个恒容密闭容器中分别充入1molCO和2moL H₂，测得平衡混合物中CH₃OH的体积分数在不同压强下随温度的变化如图1．

①在图1A、B、C三点中，选填表物理量对应最大的点．

反应速率v	平衡常数K	平衡转化率α

②在300℃时，向C点平衡体系中再充入0.25molCO、0.5molH₂和0.25mol的 CH₃OH，该反应向正反应方向进行（填“正反应”、“逆反应”或“不移动”）．
③一定温度下，CO的转化率与起始投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$]的变化关系如图2所示，测得D点氢气的转化率为40%，则x=3．
（3）三氯化铁是一种重要的化合物，可以用来腐蚀电路板．某腐蚀废液中含有 0.5mol•L^-l Fe³⁺ 和0.26mol•L^-1 的 Cu²⁺，欲使 Fe³⁺完全沉淀[c（Fe³⁺）＜4×10^-5 mol•L^-1]而Cu²⁺不沉淀，则需控制溶液 pH 的范围为3≤pH＜5．[K_Sp（Cu（OH）₂=2.6×10^-19；K_sp（Fe（OH）₃=4×10^-38；
（4）高铁酸钾（K₂FeO₄）是一种新型、高效、多功能绿色水处理剂，工业上通过电解浓 NaOH溶液可制备Na₂FeO₄，然后转化为K₂FeO₄，电解原理如图3所示．
则A溶液中溶质的成分为NaOH（填化学式）；阳极的电极反应式为Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）将方程式$\frac{3（①-②）-③}{2}$得Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），焓变进行相应的改变；
（2）①该反应是一个反应前后气体体积减小的可逆反应，增大压强平衡正向移动，则甲醇含量增大，根据图知，比较A和B点知，相同温度、不同压强下，A点甲醇体积分数大于B点，说明压强P₂＞P₁，压强越大、温度越高，化学反应速率越快；
化学平衡常数只与温度有关，根据图知，温度越高，甲醇含量越低，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应，温度越高，化学平衡常数越小；
甲醇的含量越大，则反应物转化率越大；
②先计算该点化学平衡常数K，再计算浓度商，根据化学平衡常数K与浓度商的相对大小确定反应方向；
③设n（H₂）=amol、n（CO）=bmol，氢气的转化率为40%、CO的转化率为60%，根据方程式知，参加反应的n（CO）为参加反应的n（H₂）的一半，所以40%amol=2bmol×60%，据此计算x值；
（3）Fe³⁺完全沉淀时c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}[Fe（OH）_{3}]}{4×1{0}^{-5}}$；Cu²⁺沉淀时c（OH^-）²=$\frac{{K}_{sp}[Cu（OH）_{2}]}{c（C{u}^{2+}）}$，从而确定需要控制溶液的pH范围；
（4）Cu电极是阴极，阴极上电极反应式为2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，浓NaOH溶液中钠离子通过阳离子交换膜进入阴极室；阳极上Fe失电子和OH^-反应生成Na₂FeO₄．

解答 解：（1）将方程式$\frac{3（①-②）-③}{2}$得Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），
△H=$\frac{3（△{H}_{1}-△{H}_{2}）-△{H}_{3}}{2}$=$\frac{3（-393.5-172.5）-（-1651.0）}{2}$kJ/mol=-23.5 kJ．mol^-1，
故答案为：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-23.5 kJ．mol^-1；
（2）①该反应是一个反应前后气体体积减小的可逆反应，增大压强平衡正向移动，则甲醇含量增大，根据图知，比较A和B点知，相同温度、不同压强下，A点甲醇体积分数大于B点，说明压强P₂＞P₁，压强越大、温度越高，化学反应速率越快，A、C压强相同且大于B点压强，温度C点最高，所以反应速率最快的是C点；
化学平衡常数只与温度有关，根据图知，温度越高，甲醇含量越低，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应，温度越高，化学平衡常数越小，C点温度高于A和B点且AB点温度相同，所以化学平衡常数最大的是AB；
甲醇的含量越大，则反应物转化率越大，所以甲醇转化率最大的是A点；
故答案为：C；AB；A；
②C点甲醇的体积分数为50%，即甲醇的物质的量分数为50%，设反应掉的n（CO）=xmol，
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH
1mol       2mol            0
xmol       2xmol         xmol
（1-x）mol 2（1-x）mol     xmol
$\frac{xmol}{（1-x）mol+2（1-x）mol+xmol}$×100%=50%
x=0.75
设容器体积为1L，则平衡时c（CH₃OH）=0.75mol/L、c（CO）=0.25mol/L、c（H₂）=0.50mol/L，化学平衡常数K=$\frac{0.75}{0.25×0.5{0}^{2}}$=12，
向C点平衡体系中再充入0.25molCO、0.5molH₂和0.25mol的 CH₃OH，此时c（CH₃OH）=1mol/L、c（CO）=0.50mol/L、c（H₂）=1mol/L，浓度商=$\frac{1}{0.50×{1}^{1}}$=2＜K，则平衡正向移动，
故答案为：正反应；
③设n（H₂）=amol、n（CO）=bmol，氢气的转化率为40%、CO的转化率为60%，根据方程式知，参加反应的n（CO）为参加反应的n（H₂）的一半，所以40%amol=2bmol×60%，x=3，
故答案为：3；
（3）Fe³⁺完全沉淀时c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}[Fe（OH）_{3}]}{4×1{0}^{-5}}$=$\frac{4×1{0}^{-38}}{4×1{0}^{-5}}$（mol/L）³=1×10^-33 （mol/L）³，此时c（OH^-）=10^-11 mol/L，pH=3；Cu²⁺沉淀时c（OH^-）²=$\frac{{K}_{sp}[Cu（OH）_{2}]}{c（C{u}^{2+}）}$（mol/L）²=$\frac{2.6×1{0}^{-19}}{0.26}$（mol/L）²=1×10^-18 （mol/L）²，c（OH^-）=10^-9 mol/L，pH=5，所以控制溶液的pH范围为3≤pH＜5，
故答案为：3≤pH＜5；
（4）Cu电极是阴极，阴极上电极反应式为2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，浓NaOH溶液中钠离子通过阳离子交换膜进入阴极室，所以阴极室溶液中溶质为NaOH；阳极上Fe失电子和OH^-反应生成Na₂FeO₄，电极反应式为，
故答案为：NaOH； Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算、难溶物溶解平衡计算及电化学等知识点，侧重考查学生分析、判断及计算能力，明确化学反应原理是解本题关键，难点是计算（3）题pH值，注意确定范围方法，题目难度中等．