Question

20．氫是一種理想的綠色清潔能源，氫氣的制取與儲存是氫能源利用領(lǐng)域的研究重點． 已知利用FeO與Fe₃O₄循環(huán)制氫的相關(guān)反應(yīng)如下：
反應(yīng)I．H₂O（g）+3FeO（s）?Fe₃O₄ （s）+H₂（g）△H=a kJ•mo1^-1；
反應(yīng)II  2Fe₃O₄（s）?FeO （s）+O₂（g）△H=b kJ•mo1^-1．
（1）反應(yīng)：2H₂O（g）=2H₂（g）+O₂（g）△H=2a+b（用含 a、b的代數(shù)式表示）kJ•mo1^-1．
（2）上述反應(yīng)中a＜0、b＞0，從能源利用及成本的角度考慮，實現(xiàn)反應(yīng)II可采用的方案是用反應(yīng)Ⅰ放出的熱量向反應(yīng)Ⅱ供熱能．
（3）900℃時，在甲、乙兩個體積均為2.0L的密閉容器中分別投入0.60mol FeO（s）并通入0.20mol H₂O（g），甲容器用 FeO細(xì)顆粒，乙容器用FeO粗顆粒．反應(yīng)過程中H₂的生成速率的變化如圖1所示．
①用FeO細(xì)顆粒和FeO粗顆粒時，H₂的生成速率不同的原因是FeO細(xì)顆粒表面積大，與H₂O的接觸面越大，反應(yīng)速率加快．．
②用FeO細(xì)顆粒時H₂O（g）的平衡轉(zhuǎn)化率與用FeO粗顆粒時H₂O（g）的平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系是相等（填“前者大”“前者小”或“相等”）．
（4）FeO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖2所示．請在圖3中畫出1000℃、用FeO細(xì)顆粒時，H₂O（g）轉(zhuǎn)化率隨時間的變化曲線（進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)注）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)已知方程式構(gòu)建目標(biāo)方程式，利用蓋斯定律計算反應(yīng)熱；
（2）a＜0，反應(yīng)I放熱，用反應(yīng)Ⅰ放出的熱量向反應(yīng)Ⅱ供熱能；
（3）①固體的表面積越大，反應(yīng)速率越大；
②固體的表面加大小與平衡移動無關(guān)，與反應(yīng)速率有關(guān)；
（4）由圖1可知，升高溫度，F(xiàn)eO的轉(zhuǎn)化率降低，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率增大，但反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低．

解答 解：（1）已知反應(yīng)I．H₂O（g）+3FeO（s）?Fe₃O₄（s）+H₂（g）△H=akJ/mol（Ⅰ）
反應(yīng)II．2Fe₃O₄═6FeO（s）+O₂g△H=bkJ/mol （Ⅱ），
利用蓋斯定律，將（Ⅰ）×2+（Ⅱ）可得2H₂O（g）═2H₂（g）+O₂（g）△H=（2a+b）kJ/mol，
故答案為：2a+b；
（2）b＞0，要使該制氫方案有實際意義，應(yīng)給反應(yīng)Ⅱ提供能量才能使反應(yīng)發(fā)生，a＜0，反應(yīng)I放熱，可利用反應(yīng)Ⅰ放出的熱量向反應(yīng)Ⅱ供熱能，
故答案為：用反應(yīng)Ⅰ放出的熱量向反應(yīng)Ⅱ供熱能；
（3）①因細(xì)顆粒FeO表面積大，固體的表面積越大，與H₂O的接觸面越大，則反應(yīng)速率越大，
故答案為：FeO細(xì)顆粒表面積大，與H₂O的接觸面越大，反應(yīng)速率加快；
②固體的表面加大小與平衡移動無關(guān)，則平衡狀態(tài)相同，
故答案為：相等；
（4）由圖1可知，升高溫度，F(xiàn)eO的轉(zhuǎn)化率降低，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率增大，但反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率降低，則圖象為，故答案為：．

點評 本題考查較為綜合，涉及反應(yīng)熱的計算、平衡移動等問題，側(cè)重于學(xué)生的分析能力的考查，為高考高頻考點，注意把握題給信息，（4）為解答該題的難點，題目難度中等．