Question

4．合成氨工业生产中所用的α-Fe催化剂的成分为FeO、Fe₂O₃．
（1）某FeO、Fe₂O₃混合物中，铁、氧的物质的量之比为4：5，其中二价铁与三价铁的物质的量之比为1：1．
（2）当催化剂中二价铁与三价铁的物质的量之比为1：2时，其催化活性最高，此时该催化剂中铁的质量分数为0.072（用小数表示，精确到0.01）．
（3）以Fe₂O₃为原料制备上述催化剂，可向其中加入适量炭粉，发生反应：2Fe₂O₃+C$\stackrel{高温}{→}$4FeO+CO₂↑．为制得这种活性最高的催化剂，应向320g Fe₂O₃粉末中加入炭粉的质量为4g，生成实验条件下CO₂的体积为8L（假设此实验条件下，气体摩尔体积为24L/mol）．

Answer 1

分析 （1）设出FeO、Fe₂O₃的物质的量，然后根据“铁、氧的物质的量之比为4：5”列式计算出二者的物质的量之比，然后计算出二价铁与三价铁的物质的量之比；
（2）根据“二价铁与三价铁的物质的量之比为1：2”计算出FeO、Fe₂O₃的物质的量物质的量之比，然后计算出该催化剂中铁的质量分数；
（3）根据n=$\frac{m}{M}$计算320g Fe₂O₃ 的物质的量，再根据当催化剂中Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量之比为1：2时，其催化剂活性最高，计算FeO 的物质的量，根据方程式 计算碳的物质的量、生成二氧化碳的物质的量，根据m=nM计算碳粉质量，根据V=nV_m计算二氧化碳体积．

解答 解：（1）设FeO、Fe₂O₃的物质的量分别为x、y，铁、氧的物质的量之比为4：5，则（x+2y）：（x+3y）=4：5，整理可得x：y=2：1，则二价铁与三价铁的物质的量之比为（2×1）：（1×2）=1：1，
故答案为：1：1；
（2）当催化剂中二价铁与三价铁的物质的量之比为1：2时，FeO、Fe₂O₃的物质的量物质的量之比=1：（2×$\frac{1}{2}$）=1：1，则该催化剂中铁的质量分数为：$\frac{56×（1+2）}{72+160}$≈0.072，
故答案为：0.72；
（3）320g Fe₂O₃ 的物质的量为：$\frac{320g}{160g/mol}$=2mol，根据当催化剂中Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量之比为1：2时，其催化剂活性最高，则FeO为2mol×2×$\frac{1}{3}$=$\frac{4}{3}$mol，
2Fe₂O₃+C$\stackrel{高温}{→}$4FeO+CO₂↑
            1         4         1
       n（C）    $\frac{4}{3}$mol  n（CO₂）
n（C）=n（CO₂）=$\frac{\frac{4}{3}mol×1}{4}$=$\frac{1}{3}$mol，
故m（C）=$\frac{1}{3}$mol×12g/mol=4g，
该条件下V（CO₂）=$\frac{1}{3}$mol×24gL/mol=8L
故答案为：4；8L．

点评 本题考查物质的量的计算、混合物计算，属于拼合型题目，侧重考查学生分析解决问题的能力，注意掌握物质的量与气体摩尔体积、摩尔质量等之间的关系．