Question

14．鐵元素是重要的金屬元素，單質(zhì)鐵在工業(yè)和生活中應(yīng)用廣泛．鐵還有很多重要的化合物及其化學反應(yīng)，如鐵與水的反應(yīng)：3Fe（s）+4H₂0（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
（3）已知在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，分別按如表所示加入物質(zhì)，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下列說法中正確的是B（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）在三個2L恒容絕熱（不與外界交換能量）的裝置中，按如表加入起始物質(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

若向上述平衡后的裝置中分別繼續(xù)按A、B、C三種情況加入物質(zhì)，見表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
A/mol	3.0	4.0	0	0
B/mol	0	0	1.0	4.0
C/mol	m	n	p	q

當上述可逆反應(yīng)再一次達到平衡狀態(tài)后，將上述各裝置中H₂的百分含量按由大到小的順序排列：B＞C＞A（用A、B、C表示）．
（5）已知常溫下Fe（OH）₃的K_SP=4.0×10^-39，將某FeCl₃溶液的pH調(diào)為3，此時溶液中c（Fe³⁺）=4.0×10^-6mol•L^-1（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）．

Answer 1

分析 （1）平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積，固體純液體不寫入表達式；
（2）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算所需熱化學方程式，①-②×2得到3Fe（s）+4H₂0（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）；
（3）①根據(jù)初始的量，利用K的值結(jié)合三段式求算，設(shè)甲容器中達到平衡時轉(zhuǎn)化的水的物質(zhì)的量為xmol，
               3Fe（s）+4H₂0（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）
起始量（mol）：1        1        1          1
轉(zhuǎn)化量（mol）：x                   x
平衡量（mol）：1-x                 1+x
平衡常數(shù)=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
②可逆反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等（同種物質(zhì)）或正逆反應(yīng)速率之比等于系數(shù)之比（不同物質(zhì)），平衡時各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不變；
（4）恒容絕熱根據(jù)反應(yīng)時溫度變化，判斷平衡移動，分析氫氣的百分含量，C條件下平衡不移動，A狀況下，反應(yīng)正向進行生成氫氣，B狀況下反應(yīng)逆向進行生成Fe和水；
（5）根據(jù)FeCl₃溶液的pH為3，即c（H⁺）=10^-3mol/L，則c（OH^-）=10^-11mol/L，結(jié)合Fe（OH）₃的Ksp計算c（Fe³⁺）．

解答 解：（1）3Fe（s）+4H₂0（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g），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）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；
依據(jù)蓋斯定律①-②×2得到3Fe（s）+4H₂0（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H=-150.8KJ/mol，
故答案為：-150.8KJ/mol；
（3）①設(shè)甲容器中達到平衡時轉(zhuǎn)化的水的物質(zhì)的量為xmol，
               3Fe（s）+4H₂0（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）
起始量（mol）：1        1        1          1
轉(zhuǎn)化量（mol）：x                   x
平衡量（mol）：1-x                 1+x
則K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$=$\frac{（1+x）^{4}}{（1-x）^{4}}$=16，所以x=$\frac{1}{3}$，則甲容器中H₂O的平衡轉(zhuǎn)化率為$\frac{\frac{1}{3}mol}{1mol}$×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；
②A、該反應(yīng)為氣體體積不變的反應(yīng)，所以容器內(nèi)壓強始終不變，不能用壓強判斷平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B、水蒸氣的密度與氫氣的密度不同，所以當容器內(nèi)的密度不變時，即是平衡狀態(tài)，故B正確；
C、設(shè)乙中水轉(zhuǎn)化了xmol，則$\frac{（\frac{1+x}{2}）^{4}}{（\frac{1.5+x}{2}）^{4}}$=K=16，則x=0.667，所以乙中水的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.667}{1.5}$×100%=44.4%，所以大于甲中轉(zhuǎn)化率33.3%，故C錯誤；
D、增加固體的量平衡不移動，所以水的轉(zhuǎn)化率不變，故D錯誤；
故答案為：B；
（4）由于反應(yīng)前后氣體體積相等，所以C條件下，平衡不移動，氫氣的體積分數(shù)與平衡是相同；A狀況下，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)較低，B狀況下反應(yīng)逆向進行生成Fe和水，是吸熱過程，使容器溫度降低，抑制反應(yīng)繼續(xù)消耗氫氣，所以氫氣的體積分數(shù)較高，故H₂的百分含量按由大到小的順序排列：B＞C＞A；
故答案為：B＞C＞A；
（5）已知Fe（OH）₃的Ksp=4.0×10^-39，而某FeCl₃溶液的pH為3，即c（H⁺）=10^-3mol/L，則c（OH^-）=10^-11mol/L，所以c（Fe³⁺）=$\frac{Ksp}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=2$\frac{4.0×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-11}）^{3}}$=4.0×10^-6mol/L；
故答案為：4.0×10^-6．

點評 本題考查了化學平衡常數(shù)、蓋斯定律、平衡狀態(tài)的判斷、Ksp的計算等，題目綜合性較強，難度較大，側(cè)重于對有關(guān)原理應(yīng)用的考查．