金屬鐵用途廣泛,高爐煉鐵的總反應(yīng)為:Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g),請(qǐng)回答下列問(wèn)題:

(1)一定溫度下,在體積固定的密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng),可以判斷該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡的是      。

A.密閉容器中總壓強(qiáng)不變

B.密閉容器中混合氣體的平均摩爾質(zhì)量不變

C.密閉容器中混合氣體的密度不變

D.c(CO)= c(CO2

E.Fe2O3的質(zhì)量不再變化

(2)一定溫度下,上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為3.0,該溫度下將4molCO、2molFe2O3、6molCO2、5molFe加入容積為2L的密閉容器中,此時(shí)反應(yīng)將向       反應(yīng)方向進(jìn)行(填“正”或“逆”或“處于平衡狀態(tài)”);反應(yīng)達(dá)平衡后,若升高溫度,CO與CO2的體積比增大,則正反應(yīng)為       反應(yīng)(填“吸熱”或“放熱”) 。

(3)已知:3Fe2O3(s)+CO(g)2Fe3O4(s)+CO2(g) △H=–47 kJ/mol

Fe3O4(s)+CO(g)3FeO(s)+CO2(g)    △H= +19 kJ/mol

FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)       △H=–11 kJ/mol

則Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)的△H=            

(4)上述總反應(yīng)在高爐中大致分為三個(gè)階段,各階段主要成分與溫度的關(guān)系如下表:

溫度

 250℃  ~  600℃  ~  1000℃  ~  2000℃

主要成分

      Fe2O3         Fe3O4           FeO             Fe

 

800℃時(shí)固體物質(zhì)的主要成分為          ,該溫度下若測(cè)得固體混合物中m(Fe)︰m(O)=105︰32,則Fe3O4被CO還原為FeO的百分率為             (設(shè)其它固體雜質(zhì)中不含F(xiàn)e、O元素)。

 

【答案】

(16分)

(1)BCE(3分)  (2)逆(3分)   放熱(2分)   (3)–25 kJ/mol (3分)  

(4)Fe3O4  FeO(2分)   80% (3分)

【解析】

試題分析:(1)由高爐煉鐵總反應(yīng)可知,該反應(yīng)是氣體體積或物質(zhì)的量不變的反應(yīng),則恒溫恒容下氣體的壓強(qiáng)始終保持不變,所以總壓強(qiáng)不變不能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡,故A錯(cuò)誤;由于容器內(nèi)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量等于總質(zhì)量與總物質(zhì)的量之比,雖然物質(zhì)的量保持不變,但是混合氣體的質(zhì)量逐漸增大,因?yàn)檠趸F變?yōu)閱钨|(zhì)鐵導(dǎo)致固體的質(zhì)量減少,所以混合氣體的平均摩爾質(zhì)量逐漸增大,當(dāng)它保持不變時(shí),說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡,故B正確;由于容器中混合氣體的密度等于總質(zhì)量與容積之比,雖然容積保持不變,但是混合氣體的總質(zhì)量逐漸增大,則混合氣體的密度逐漸增大,當(dāng)它不變時(shí),說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡,故C正確;平衡時(shí)各組分的濃度都保持不變,但是平衡濃度之比不一定等于化學(xué)方程式中系數(shù)之比,故D錯(cuò)誤;氧化鐵是反應(yīng)物或原料,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,氧化鐵被消耗,其質(zhì)量逐漸減小,當(dāng)它的質(zhì)量不再變化,說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡,故E正確;(2)溫度不變,該反應(yīng)化學(xué)平衡常數(shù)[K=c3(CO2)/c3(CO)]不變;起始時(shí)c3(CO2)/c3(CO)=(6/2) 3/(4/2) 3=27/8>K=3.0,則此時(shí)反應(yīng)必須向逆反應(yīng)方向進(jìn)行,使生成物濃度減小、反應(yīng)物濃度增大,c3(CO2)/c3(CO)的比值才能減小為3.0,才能達(dá)到該溫度下的化學(xué)平衡;由于化學(xué)平衡常數(shù)等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值,則該反應(yīng)的平衡常數(shù)為c(E)/[c2(A)·c(B)];升高溫度,CO與CO2的體積比增大,后者說(shuō)明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng),前者導(dǎo)致平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng),即逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng),則正反應(yīng)是放熱反應(yīng);(3)先將四個(gè)熱化學(xué)方程式依次編號(hào)為①②③④,觀察已知焓變和未知焓變的熱化學(xué)方程式可得:(①+②×2+③×6)/3=④,根據(jù)蓋斯定律可知,④的焓變=[(–47)+(+19)×2+(–11)×6] kJ/mol /3=–25 kJ/mol;(4)依題意可知,800℃時(shí)固體物質(zhì)的主要成分為Fe3O4、FeO;設(shè)固體混合物含有xmolFe3O4、ymolFeO,則n(Fe)=(3x+y)mol、n(O)=(4x+y)mol,m(Fe)=56×(3x+y)g、m(O)=16×(4x+y)g,m(Fe)/ m(O)=[ 56×(3x+y)]/[ 16×(4x+y)]=105/32,(4x+y)/ (3x+y)=112/105,x/(3x+y)=1/15,則y=15x;由于Fe3O4(s)+CO(g)3FeO(s)+CO2(g),根據(jù)系數(shù)之比等于物質(zhì)的量之比可知,被CO還原為ymolFeO的Fe3O4為y/3mol或4xmol,則總的Fe3O4為(x+y/3)mol或5xmol,被還原的Fe3O4與總的Fe3O4之比為(y/3)/ (x+y/3)=(4x)/(x+4x)=4/5,4/5×100%=80%,則Fe3O4被CO還原為FeO的百分率為80%。

考點(diǎn):考查化學(xué)反應(yīng)原理,涉及化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、可逆反應(yīng)進(jìn)行的方向、化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響、放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)的推斷、蓋斯定律的應(yīng)用、溫度對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響、混合物的計(jì)算等。

 

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