Question

10．碳酸亞鐵（FeCO₃）是菱鐵礦的主要成分．將 FeCO₃ 加熱到 200℃開始分解為 FeO 和CO₂，若在空氣中高溫煅燒 FeCO₃ 則生成 Fe₂O₃．一定條件下 Fe₂O₃ 可被甲烷還原為“納米級”的金屬鐵．其反應為：Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H=？
（1）反應在 5L 的密閉容器中進行，2min 后達到平衡，測得固體質量減少 4.8g．同時測得反應吸收熱量 28.8KJ，則該段時間內 H2 的平均反應速率為0.06mol•（L•min）^-1．該反應的△H=+288KJ/mol．
（2）將一定質量的 Fe₂O₃（s）和 CH₄（g）置于恒溫恒壓容器中，在一定條件下反應，能表明該反應達到平衡狀態(tài)的是A C．
A、固體的總質量不變                      B、v_正（CO）=2v_逆（H ₂）
C、混合氣體的平均相對分子質量不變        D、CH₄ 的轉化率等于 CO 的產率
（3）已知：t℃時，FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）   K=0.5
若在 1L 密閉容器中加入 0.4mol FeO（s），并通入 x molCO，t℃時反應達到平衡．此時 FeO（s）的轉化率為 20%，則 x=0.24 mol．
（4）FeCl₃在溶液中分三步水解：
Fe³⁺+H₂O?Fe（OH）²⁺+H⁺   K₁
Fe（OH）²⁺+H₂O?Fe（OH）${\;}_{2}^{+}$+H⁺ K₂
Fe（OH）${\;}_{2}^{+}$+H₂O?Fe（OH）₃+H⁺ K₃
①以上水解反應的平衡常數 K₁、K₂、K₃由大到小的順序是K₁＞K₂＞K₃
②但中學化學通常要求書寫 Fe³⁺水解的離子方程式為Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺
（5）已知常溫下 Ksp[Fe（OH）₃]=2.7×10^-39，根據溶度積數據，請計算出氫氧化鐵固體與鹽酸反應：Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O 的平衡常數為2.7×10³．

Answer 1

分析 （1）根據方程式知，2min 后達到平衡，測得固體質量減少 4.8g．
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），△m
160                                 112                           6                   48
                                                                   0.6mol               4.8g
反應時有0.6mol氫氣生成，同時測得反應吸收熱量 28.8KJ，根據v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算該段時間內氫氣平均反應速率，計算得到反應的焓變；
（2）反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各組分濃度保持不變，據此分析；
（3）結合化學平衡三行計算列式計算，此時 FeO（s）的轉化率為 20%，
                      FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）
起始量（mol）   0.4           x             0               0
變化量（mol）0.4×20%      0.08        0.08         0.08
平衡量（mol）0.4-0.08       x-008       0.08        0.08
K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$計算得到；
（4）①鐵離子的水解分為三步，且水解程度逐漸減弱，所以水解平衡常數逐漸減��；
②鐵離子水解一步寫出，反應生成氫氧化鐵和氫離子；
（5）Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O 的平衡常數K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$×$\frac{{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{Ksp}{（K{w}^{3}）}$；

解答 解：（1）根據方程式知，2min 后達到平衡，測得固體質量減少 4.8g．
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），△m
 160                               112                          6                  48
                                                                0.6mol               4.8g
根據v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$，v（H₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{5L}}{2min}$═0.06mol•（L•min）^-1，
0.66mol氫氣生成放熱28.8KJ，則生成6mol氫氣吸收熱量=288KJ，△H=+288KJ/mol，
故答案為：0.06mol•（L•min）^-1，△H=+288KJ/mol；
（2）A、固體的總質量不變，說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態(tài)，故A正確；
B、速率之比等于醋酸計量數之比，2v_正（CO）=v_正（H ₂），當2v_正（CO）=v_逆（H ₂）說明反應達到平衡狀態(tài)，但v_正（CO）=2v_逆（H ₂）不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故B錯誤；
C、反應前后氣體的物質的量和質量都不同，所以混合氣體的平均相對分子質量不變說明反應達到平衡狀態(tài)，混合氣體的平均相對分子質量不變說明反應達到平衡狀態(tài)，故C正確；
D、CH₄的轉化率與CO的產率與是否達到平衡狀態(tài)無關，故D錯誤；
故答案為：A C；
（3）結合化學平衡三行計算列式計算，此時 FeO（s）的轉化率為 20%，
                     FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）
起始量（mol） 0.4          x              0             0
變化量（mol）0.4×20%   0.08        0.08         0.08
平衡量（mol）0.4-0.08   x-008       0.08         0.08
固體不寫入破壞神表達式，K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$=$\frac{0.08}{x-0.08}$=0.5，
x=0.24，
故答案為：0.24；
（4）①鐵離子的水解分為三步，且水解程度逐漸減弱，所以水解平衡常數逐漸減小，則K₁＞K₂＞K₃；
故答案為：K₁＞K₂＞K₃；
②鐵離子水解一步寫出，反應生成氫氧化鐵和氫離子，書寫 Fe³⁺水解的離子方程式為：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，
故答案為：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺；
（5）已知常溫下 Ksp[Fe（OH）₃]=2.7×10^-39，根據溶度積數據，
Fe（OH）₃+3H⁺?Fe³⁺+3H₂O，反應 的平衡常數K=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$=$\frac{c（F{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{H}^{+}）}$×$\frac{{c}^{3}（O{H}^{-}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{Ksp}{（K{w}^{3}）}$=$\frac{2.7×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-14}）^{3}}$=2.7×10³，
故答案為：2.7×10³；

點評 本題考查鐵的化合物性質的應用、溶度積常數計算、平衡常數影響因素和計算、平衡移動影響因素等，需要學生具備扎實的基礎與靈活運用難度，題目難度中等．