Question

(16分）氢是一种理想的绿色清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。 利用FeO/Fe₃O₄循环制氢，已知：

H₂O（g）+3FeO(s)Fe₃O₄(s) + H₂(g)    △H=a KJ/mol   (Ⅰ)

2Fe₃O₄(s)＝6FeO(s) + O₂(g)              △H=b KJ/mol   (Ⅱ)

下列坐标图分别表示FeO的转化率（图1）和一定温度时，H₂生成速率[细颗粒（直径0.25 mm），粗颗粒（直径3 mm）]（图2）。

（1）反应：2H₂O（g）＝2H₂(g) + O₂(g)  ΔH=                 （用含a、b代数式表示）；

（2）在上述循环制氢的过程中FeO的作用是：                            ；

（3）900°C时，在两个体积均为2L密闭容器中分别投入0.60molFeO和0.20mol H₂O(g)，甲容器用细颗粒FeO，乙容器用粗颗粒FeO。

①用细颗粒FeO和粗颗粒FeO时，H₂生成速率不同的原因是：                      ；

②用细颗粒FeO时，H₂O (g)的转化率比用粗颗粒FeO时H₂O(g)的转化率        （填“大”或“小”或“相等”)；

③求此温度下该反应的平衡常数K（写出计算过程）。

（4）在坐标图3中画出在1000°C、用细颗粒FeO时，H₂O(g)转化率随时间变化示意图（进行相应的标注）：

Answer

（1）（2a+b）kJ/mol （2分）（无kJ/mol或“2a+bkJ/mol”扣1分，其他不给分）

（2）作催化剂（2分）

（3）①细颗粒FeO表面积大，与H2的接触面大，反应速率加快；

（3分）（“增大接触面、加快反应速率”、“接触面越大，反应速率越快”等合理表达给3分；答“增大反应物浓度”、“FeO的量增加，反应速率加快”给1分）；

②相等（2分）（答“等于”、“＝”给1分）

③（4分）【解析】
900℃时，达到平衡FeO转化的量为：n（FeO）＝0.60mol×40%=0.24mol，

H2O（g）+3FeO（s） Fe3O4（s）+ H2（g）

开始（mol）：0.2 0.6 0 0

转化（mol）：0.08 0.24 0.08 0.08

平衡（mol）：0.12 0.36 0.08 0.08

K＝＝0.6

（4）（3分）

【解析】

试题分析：（1）已知H2O（g）+3FeO（s）Fe3O4（s）+H2（g）△H=akJ/mol（Ⅰ），2Fe3O4═6FeO（s）+O2g△H=bkJ/mol （Ⅱ），利用盖斯定律，将（Ⅰ）×2+（Ⅱ）可得2H2O（g）═2H2（g）+O2（g）△H=（2a+b）kJ/mol；

（2）氧化亚铁在反应前后不变，因此起到催化剂作用；

（3）①因细颗粒FeO表面积大，固体的表面积越大，与氢气的接触面越大，则反应速率越大；

②固体的表面加大小与平衡移动无关，则平衡状态相同，转化率相等；

③由图象可知900℃时，达到平衡FeO转化的量为：n（FeO）＝0.60mol×40%＝0.24mol

H2O（g）+3FeO（s） Fe3O4（s）+ H2（g）

开始（mol）：0.2 0.6 0 0

转化（mol）：0.08 0.24 0.08 0.08

平衡（mol）：0.12 0.36 0.08 0.08

K＝＝0.67

（4）由图1可知，升高温度，FeO的转化率降低，说明正反应为放热反应，升高温度，反应速率增大，但反应物的转化率降低，则图象为

。

考点：考查盖斯定律的应用、外界条件对平衡状态的影响以及平衡状态的计算等