Question

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，目前比较先进的天然气竖炉冶铁工艺流程如下图所示：

（1）催化反应室发生的反应为：

ⅰ.CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)   △H=+206kJ/mol

ⅱ.CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)  △H=+247kJ/mol。

① 催化反应室可能发生的副反应有CH₄(g)+2H₂O(g)CO₂(g)+4H₂(g)，则该反应的△H=____。

② 催化反应室的温度通常需维持在550～750℃之间，从化学反应速率角度考虑，其主要目的是________。

③ 在催化反应室中，若两反应达到平衡时，容器中n(CH₄)=0.2mol,n(CO)=0.3mol，n(H₂)=0.5mol，则通入催化反应室CH₄的起始物质的量为______mol（不考虑副反应）。

（2）还原反应室发生的反应为：

ⅰ.Fe₂O₃(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO₂(g)   △H=-25kJ/mol

ⅱ.Fe₂O₃(s)+3H₂(g)2Fe(s)+3H₂O(g)  △H=+98kJ/mol

① 下列措施中能使反应i平衡时增大的是______（填字母）。

A．增大压强   B．降低温度   C．充入一定量氮气   D．增加Fe₂O₃(s)用量

E．增大CO的浓度            F．加入合适的催化剂

②若在1000℃下进行反应1(该温度下化学反应平衡常数为64), CO起始浓度为量2mol/L(Fe₂O₃过量)，则CO的转化率为_______。

③天然气竖炉冶铁相对于传统焦炭冶铁，该冶铁工艺的优点是_________。

（3）铁钛合金是一种常用的不锈钢材料，某同学在探究该合金的性质时，往含有TiO²⁺、Fe³⁺溶液中加入铁屑至溶液显紫色，该过程发生的反应有：①2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺

②Ti³⁺(紫色)+Fe³⁺+H₂O=TiO²⁺(无色)+Fe²⁺+2H⁺

③________________。

Answer

+165kJ/mol 一定温度范围内，催化剂的活性越大，维持反应速率较快(合理即给分) 0.4mol B 80% 生成的部分CO2及水蒸气可循环利用；该工艺中较大比例的H2作还原剂，可减少CO2的排放(只要答一点即可) 2TiO2++Fe+4H+=2Ti3++Fe2++2H2O

【解析】（1）①考查热化学反应方程式的计算，利用盖斯定律进行判断，即有i×2－ii，得出△H=(206×2－247)kJ·mol－1=＋165kJ·mol－1；②考查催化剂的催化效率，在一定温度范围内催化剂的活性最大，化学反应速率加快；③本题考查化学平衡的计算，CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

变化量：x x x 3x

CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)

变化量：y y 2y 2y

则有：x＋2y=0.3，3x＋2y=0.5，解得x=y=0.1mol，则起始时通入甲烷的量(0.1＋0.1＋0.2)mol=0.4mol；（2）①考查影响化学平衡移动的因素，A、增大压强，平衡不移动，比值不变，故A错误；B、正反应是放热反应，降低温度，平衡向正反应方向移动，即c(CO2)增大，c(CO)减小，因此比值增大，故B正确；C、因为反应前后气体系数之和相同，通入非反应气体，化学平衡不移动，即比值不变，故C错误；D、氧化铁是固体，浓度视为常数，增加氧化铁的量，平衡不移动，即比值不变，故D错误；E、根据化学平衡常数K=c3(CO2)/c3(CO)，温度不变化学平衡常数不变，即通入CO2，比值不变，故E错误；F、使用催化剂，对化学平衡移动没有影响，即比值不变，故F错误；②考查化学平衡的计算，令达到平衡时，CO的浓度为amol·L－1，根据平衡常数的表达式，K=(2－a)3/a3=64，解得a=0.4mol·L－1，则消耗CO的物质的量浓度为(2－0.4)mol·L－1=1.6mol·L－1，其转化率为1.6/2×100%=80%；③考查流程的优点，生成的部分CO2及水蒸气可循环利用；该工艺中较大比例的H2作还原剂，可减少CO2的排放；（3）③加入铁屑至溶液出现紫色，说明溶液中Ti元素以Ti3＋形式的存在，假如铁屑，把TiO2＋中Ti还原成Ti3＋，根据信息①，铁元素以Fe2＋形式存在，因为溶液显酸性，因此离子反应方程式为2TiO2＋+Fe+4H＋=2Ti3＋+Fe2＋+2H2O。

点睛：本题易错点是（2）中①的选项E，不要从增大CO的浓度，平衡向正反应方向移动进行分析，应从化学平衡常数的角度考虑，根据化学平衡常数K=c3(CO2)/c3(CO)，温度不变化学平衡常数不变，因此通入CO，此比值不变，否则平衡发生改变。