Question

2．鐵及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有重要的作用．
（1）已知：①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ•mol^-1
②C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H₂=+172.5kJ•mol^-1
③4Fe（s）+3O₃（g）=2Fe₂O₃ （s）△H₃=-1651.0kJ•mol^-1
CO還原氧化鐵的熱化學(xué)方程式為Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-23.5kJ．mol^-1．
（2）高爐煉鐵產(chǎn)生的高爐氣中含有CO、H₂、CO₂等氣體，利用CO和H₂在催化劑作用下合成甲醇，是減少污染、節(jié)約能源的一種新舉措，反應(yīng)原理如下：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H．在體積不同的兩個恒容密閉容器中分別充入1molCO和2moL H₂，測得平衡混合物中CH₃OH的體積分?jǐn)?shù)在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化如圖1．

①在圖1A、B、C三點(diǎn)中，選填表物理量對應(yīng)最大的點(diǎn)．

反應(yīng)速率v	平衡常數(shù)K	平衡轉(zhuǎn)化率α

②在300℃時，向C點(diǎn)平衡體系中再充入0.25molCO、0.5molH₂和0.25mol的 CH₃OH，該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行（填“正反應(yīng)”、“逆反應(yīng)”或“不移動”）．
③一定溫度下，CO的轉(zhuǎn)化率與起始投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$]的變化關(guān)系如圖2所示，測得D點(diǎn)氫氣的轉(zhuǎn)化率為40%，則x=3．
（3）三氯化鐵是一種重要的化合物，可以用來腐蝕電路板．某腐蝕廢液中含有 0.5mol•L^-l Fe³⁺ 和0.26mol•L^-1 的 Cu²⁺，欲使 Fe³⁺完全沉淀[c（Fe³⁺）＜4×10^-5 mol•L^-1]而Cu²⁺不沉淀，則需控制溶液 pH 的范圍為3≤pH＜5．[K_Sp（Cu（OH）₂=2.6×10^-19；K_sp（Fe（OH）₃=4×10^-38；
（4）高鐵酸鉀（K₂FeO₄）是一種新型、高效、多功能綠色水處理劑，工業(yè)上通過電解濃 NaOH溶液可制備Na₂FeO₄，然后轉(zhuǎn)化為K₂FeO₄，電解原理如圖3所示．
則A溶液中溶質(zhì)的成分為NaOH（填化學(xué)式）；陽極的電極反應(yīng)式為Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）將方程式$\frac{3（①-②）-③}{2}$得Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），焓變進(jìn)行相應(yīng)的改變；
（2）①該反應(yīng)是一個反應(yīng)前后氣體體積減小的可逆反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動，則甲醇含量增大，根據(jù)圖知，比較A和B點(diǎn)知，相同溫度、不同壓強(qiáng)下，A點(diǎn)甲醇體積分?jǐn)?shù)大于B點(diǎn)，說明壓強(qiáng)P₂＞P₁，壓強(qiáng)越大、溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快；
化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，根據(jù)圖知，溫度越高，甲醇含量越低，說明平衡逆向移動，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高，化學(xué)平衡常數(shù)越��；
甲醇的含量越大，則反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越大；
②先計算該點(diǎn)化學(xué)平衡常數(shù)K，再計算濃度商，根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)K與濃度商的相對大小確定反應(yīng)方向；
③設(shè)n（H₂）=amol、n（CO）=bmol，氫氣的轉(zhuǎn)化率為40%、CO的轉(zhuǎn)化率為60%，根據(jù)方程式知，參加反應(yīng)的n（CO）為參加反應(yīng)的n（H₂）的一半，所以40%amol=2bmol×60%，據(jù)此計算x值；
（3）Fe³⁺完全沉淀時c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}[Fe（OH）_{3}]}{4×1{0}^{-5}}$；Cu²⁺沉淀時c（OH^-）²=$\frac{{K}_{sp}[Cu（OH）_{2}]}{c（C{u}^{2+}）}$，從而確定需要控制溶液的pH范圍；
（4）Cu電極是陰極，陰極上電極反應(yīng)式為2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，濃NaOH溶液中鈉離子通過陽離子交換膜進(jìn)入陰極室；陽極上Fe失電子和OH^-反應(yīng)生成Na₂FeO₄．

解答 解：（1）將方程式$\frac{3（①-②）-③}{2}$得Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g），
△H=$\frac{3（△{H}_{1}-△{H}_{2}）-△{H}_{3}}{2}$=$\frac{3（-393.5-172.5）-（-1651.0）}{2}$kJ/mol=-23.5 kJ．mol^-1，
故答案為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）△H=-23.5 kJ．mol^-1；
（2）①該反應(yīng)是一個反應(yīng)前后氣體體積減小的可逆反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動，則甲醇含量增大，根據(jù)圖知，比較A和B點(diǎn)知，相同溫度、不同壓強(qiáng)下，A點(diǎn)甲醇體積分?jǐn)?shù)大于B點(diǎn)，說明壓強(qiáng)P₂＞P₁，壓強(qiáng)越大、溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快，A、C壓強(qiáng)相同且大于B點(diǎn)壓強(qiáng)，溫度C點(diǎn)最高，所以反應(yīng)速率最快的是C點(diǎn)；
化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，根據(jù)圖知，溫度越高，甲醇含量越低，說明平衡逆向移動，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高，化學(xué)平衡常數(shù)越小，C點(diǎn)溫度高于A和B點(diǎn)且AB點(diǎn)溫度相同，所以化學(xué)平衡常數(shù)最大的是AB；
甲醇的含量越大，則反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越大，所以甲醇轉(zhuǎn)化率最大的是A點(diǎn)；
故答案為：C；AB；A；
②C點(diǎn)甲醇的體積分?jǐn)?shù)為50%，即甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為50%，設(shè)反應(yīng)掉的n（CO）=xmol，
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH
1mol       2mol            0
xmol       2xmol         xmol
（1-x）mol 2（1-x）mol     xmol
$\frac{xmol}{（1-x）mol+2（1-x）mol+xmol}$×100%=50%
x=0.75
設(shè)容器體積為1L，則平衡時c（CH₃OH）=0.75mol/L、c（CO）=0.25mol/L、c（H₂）=0.50mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{0.75}{0.25×0.5{0}^{2}}$=12，
向C點(diǎn)平衡體系中再充入0.25molCO、0.5molH₂和0.25mol的 CH₃OH，此時c（CH₃OH）=1mol/L、c（CO）=0.50mol/L、c（H₂）=1mol/L，濃度商=$\frac{1}{0.50×{1}^{1}}$=2＜K，則平衡正向移動，
故答案為：正反應(yīng)；
③設(shè)n（H₂）=amol、n（CO）=bmol，氫氣的轉(zhuǎn)化率為40%、CO的轉(zhuǎn)化率為60%，根據(jù)方程式知，參加反應(yīng)的n（CO）為參加反應(yīng)的n（H₂）的一半，所以40%amol=2bmol×60%，x=3，
故答案為：3；
（3）Fe³⁺完全沉淀時c（OH^-）³=$\frac{{K}_{sp}[Fe（OH）_{3}]}{4×1{0}^{-5}}$=$\frac{4×1{0}^{-38}}{4×1{0}^{-5}}$（mol/L）³=1×10^-33 （mol/L）³，此時c（OH^-）=10^-11 mol/L，pH=3；Cu²⁺沉淀時c（OH^-）²=$\frac{{K}_{sp}[Cu（OH）_{2}]}{c（C{u}^{2+}）}$（mol/L）²=$\frac{2.6×1{0}^{-19}}{0.26}$（mol/L）²=1×10^-18 （mol/L）²，c（OH^-）=10^-9 mol/L，pH=5，所以控制溶液的pH范圍為3≤pH＜5，
故答案為：3≤pH＜5；
（4）Cu電極是陰極，陰極上電極反應(yīng)式為2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，濃NaOH溶液中鈉離子通過陽離子交換膜進(jìn)入陰極室，所以陰極室溶液中溶質(zhì)為NaOH；陽極上Fe失電子和OH^-反應(yīng)生成Na₂FeO₄，電極反應(yīng)式為，
故答案為：NaOH； Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計算、難溶物溶解平衡計算及電化學(xué)等知識點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析、判斷及計算能力，明確化學(xué)反應(yīng)原理是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是計算（3）題pH值，注意確定范圍方法，題目難度中等．