Question

【题目】铁的化合物在生产生活和科学实验中应用广泛：

（1）一定条件下Fe2O3与甲烷反应制取纳米级铁,同时生成CO和H2。已知：

Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H=-27.6kJ/mol

CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+206.4kJ/mol

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-41.0kJ/mol

①反应Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)的△H=________。

②若该反应在5L的密闭容器中进行,5min后达到平衡,测得体系中固体质量减少0.96g，则该段时间内CO的平均反应速率为________。

③若该反应在恒温恒压容器中进行,能表明该反应达到平衡状态的是________(选填序号)。

a．c(CH2)=c(CO) b．固体的总质量不变

c．v(CO)与v(H2)的比值不变 d．混合气体的平均相对分子质量不变

④该反应的化学平衡常数的负对数pK随反应温度T的变化曲线如下图。

试用平衡移动原理解释该曲线的变化规律________________。若700℃时测得平衡时,H2浓度为1.0mol·L-1,则CH4的平衡转化率为_________。

（2）菱铁矿的主要成分是FeCO3,实验室中可以通过FeSO4与足量NaHCO3溶液混合制得FeCO3,有关反应的离子方程式为________________________。已知Ksp[FeCO3]=3.2×10-11,H2CO3的Ka1=4.30×10-7,Ka2=5.61×10-11。试通过以上数据简要计算说明该反应能进行的原因_______________________________。

（3）Na2FeO4是一种高效净水剂,工业上以Fe为阳极,NaOH为电解质溶液进行电解制备,写出阳极的电极反应式_________________________________________。

Answer 1

【答案】 +714.6kJ/mol 0.0024mol/(L·min) bd 该反应为吸热反应,温度越高反应进行的程度越大,K越大,则pK越小 50% Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+CO2↑+H2O(或Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+H2CO3) K=c(H2CO3)/[c(Fe2+)·c2(HCO3-)]=Ka2/(Ksp[FeCO3]·Ka1)=4.08×106>105,所以该反应易发生 Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O

【解析】(1) ①已知：①Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H=-27.6kJ/mol，②CH4(g)+ H2O(g) =CO(g)+3H2(g) △H=+206.4kJ/mol，③CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H= -41.0 kJ/mol，根据盖斯定律可知①+3×②-3×③即得Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g) +6H2(g) △H= +714.6kJ/mol；②根据反应方程式可知，固体质量减少量即Fe2O3中氧元素的质量，即n(O)=0.06mol，则生成n(CO)=0.06mol，所以υ(CO)== 0.0024mol/ (L·min)；③若该反应在恒温恒压容器中进行，a、当c(CH4)=c(CO)时，只是说明生成的CO浓度等于剩余CH4的浓度，但它们的速率关系如何不确定，故a不能表明反应已达平衡；b、固体的总质量不变，说明正逆反应速率相等，故b表明反应已达平衡；c、v(CO)与v(H2)的比值始终都不变，但没有指明速率的正逆方向，所以c不能表明反应已达平衡；d、由于反应前后气体的物质的量不相等，气体的质量也在变化，所以气体的质量和物质的量都不再变化时，即平均相对分子质量不变时，表明反应已达平衡，故d正确。因此本题答案是bd；④由于该反应为吸热反应，温度越高反应进行的程度越大，K越大，则pK越小；若700℃时测得平衡时，c平衡(H2)=1.0mol·L-1，则c平衡 (CO)= 0.5mol·L-1，已知pK=0，即K=1，则有 =1，代入即得c平衡(CH4)=0.5mol·L-1，则c起始(CH4)=1.0mol·L-1，所以CH4的平衡转化率为50%。

(2)根据叙述可知，要生成FeCO3，HCO3-就要电离出H+，则H+与另一个HCO3-反应生成CO2和H2O，所以反应的离子方程式为Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+CO2↑+H2O(或Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+H2CO3)； 根据反应方程式可得K=c(H2CO3)/[c(Fe2+)·c2(HCO3-)]= Ka2/[Ksp(FeCO3)·Ka1)]=4.08×106>105，所以该反应容易发生。

(3)阳极为铁，失去电子被氧化，生成FeO42-，电解质溶液中的OH-移向阳极，所以阳极反应式为Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O。