Question

4．鐵元素是重要的金屬元素，單質(zhì)鐵在工業(yè)和生活中使用得最為廣泛．鐵還有很多重要的化合物及其化學(xué)反應(yīng)．
如鐵與水反應(yīng)：3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H
（1）上述反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$．
（2）已知：①3Fe（s）+2O₂（g）=Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ•mol^-1
則△H=-150.8kJ•mol^-1．
（3）在t℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=16，在2L恒溫恒容密閉容器甲和乙中，分別按下表所示加入物質(zhì)，反應(yīng)經(jīng)過一段時間后達到平衡．

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
甲/mol	1.0	1.0	1.0	1.0
乙/mol	1.0	1.5	1.0	1.0

①甲容器中H₂O的平衡轉(zhuǎn)化率為33.3%（結(jié)果保留一位小數(shù)）．
②下列說法正確的是BC （填編號）
A．若容器壓強恒定，則反應(yīng)達到平衡狀態(tài)
B．若容器內(nèi)氣體密度恒定，則反應(yīng)達到平衡狀態(tài)
C．甲容器中H₂O的平衡轉(zhuǎn)化率大于乙容器中H₂O的平衡轉(zhuǎn)化率
D．增加Fe₃O₄就能提高H₂O的轉(zhuǎn)化率
（4）若將（3）中裝置改為恒容絕熱（不與外界交換能量）裝置，按下表充入起始物質(zhì)，起始時與平衡后的各物質(zhì)的量見表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
起始/mol	3.0	4.0	0	0
平衡/mol	m	n	p	q

若在達平衡后的裝置中繼續(xù)加入A、B、C三種狀況下的各物質(zhì)，見表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
A/mol	3.0	4.0	0	0
B/mol	0	0	1	4
C/mol	m	n	p	q

當(dāng)上述可逆反應(yīng)再一次達到平衡狀態(tài)后，上述各裝置中H₂的百分含量按由大到小的順序排列的關(guān)系是B＞C＞A（用A、B、C表示）．

Answer 1

分析 （1）化學(xué)平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)到達平衡時，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學(xué)平衡常數(shù)中寫出；
（2）已知：①3Fe（s）+2O₂（g）=Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-②×②可得：3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g），則△H=△H₁-2△H₂；
（3）①t℃時，反應(yīng)3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）的平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$=16，則平衡時c（H₂）=2c（H₂O），根據(jù)H原子守恒，平衡時n（H₂）+n（H₂O）=2mol，聯(lián)立計算解答；
②A．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，恒溫恒容下，壓強始終不變；
B．隨反應(yīng)進行混合氣體質(zhì)量減小，容器的容積不變，容器內(nèi)氣體密度減小，當(dāng)容器內(nèi)氣體密度恒定，說明到達平衡；
C．由①可知平衡時甲中水的轉(zhuǎn)化率，根據(jù)①分析計算乙平衡時水的轉(zhuǎn)化率；
D．增加Fe₃O₄不影響平衡移動；
（4）若溫度相同，A、B、C三種狀態(tài)下，均等效為增大壓強，與原平衡為等效平衡，平衡時氫氣體積分數(shù)相同．由（1）可知該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，恒容絕熱條件下，隨反應(yīng)進行溫度發(fā)生變化．
由于反應(yīng)前后氣體體積相等，所以C狀態(tài)下，平衡不移動，氫氣的體積分數(shù)與原平衡相同；
A狀態(tài)下，反應(yīng)正向進行生成氫氣，反應(yīng)放出熱量使容器溫度升高，抑制反應(yīng)繼續(xù)生成氫氣；
B狀況下，反應(yīng)逆向進行生成Fe和水，逆向過程吸熱，使容器溫度降低，抑制反應(yīng)繼續(xù)消耗氫氣．

解答 解：（1）反應(yīng)3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）的平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$，
故答案為：$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$；
（2）已知：①3Fe（s）+2O₂（g）=Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-②×②可得：3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g），則△H=△H₁-2△H₂=-1118.4kJ•mol^-1-2×（-483.8kJ•mol^-1）=-150.8kJ•mol^-1，
故答案為：-150.8kJ•mol^-1；
（3）①t℃時，反應(yīng)3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）的平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$=16，則平衡時c（H₂）=2c（H₂O），故平衡時n（H₂）=2n（H₂O），根據(jù)H原子守恒，平衡時n（H₂）+n（H₂O）=2mol，則平衡時n（H₂O）=$\frac{2}{3}$mol，則H₂O的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1mol-\frac{2}{3}mol}{1mol}$×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；
②A．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，恒溫恒容下，壓強始終不變，故A錯誤；
B．隨反應(yīng)進行混合氣體質(zhì)量減小，容器的容積不變，容器內(nèi)氣體密度減小，當(dāng)容器內(nèi)氣體密度恒定，說明到達平衡，故B正確；
C．由①可知平衡時甲中水的轉(zhuǎn)化率為33.3%，乙平衡時c（H₂）=2c（H₂O），故平衡時n（H₂）=2n（H₂O），根據(jù)H原子守恒，平衡時n（H₂）+n（H₂O）=2.5mol，則平衡時n（H₂O）=$\frac{5}{6}$mol，則H₂O的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1.5mol-\frac{5}{6}mol}{1.5mol}$×100%=44.4%，故C正確；
D．增加Fe₃O₄不影響平衡移動，水的轉(zhuǎn)化率不變，故D錯誤，
故選：BC；
（4）若溫度相同，A、B、C三種狀態(tài)下，均等效為增大壓強，與原平衡為等效平衡，平衡時氫氣體積分數(shù)相同．由（1）可知該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，恒容絕熱條件下，隨反應(yīng)進行溫度發(fā)生變化．
由于反應(yīng)前后氣體體積相等，所以C狀態(tài)下，平衡不移動，氫氣的體積分數(shù)與原平衡相同；
A狀態(tài)下，反應(yīng)正向進行生成氫氣，反應(yīng)放出熱量使容器溫度升高，抑制反應(yīng)繼續(xù)生成氫氣，故氫氣體積分數(shù)：A＜C；
B狀況下，反應(yīng)逆向進行生成Fe和水，逆向過程吸熱，使容器溫度降低，抑制反應(yīng)繼續(xù)消耗氫氣，故氫氣體積分數(shù)：B＞C，
則氫氣體積分數(shù)：B＞C＞A，
故答案為：B＞C＞A．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、化學(xué)平衡常數(shù)、蓋斯定律應(yīng)用、平衡狀態(tài)的判斷等，題目綜合性較強，難度較大，側(cè)重考查學(xué)生對知識的綜合運用能力．