Question

金属铁盐或其氧化物在生产生活和科学实验中应用广泛。   

（1）一定条件下Fe₂O₃与甲烷反应制取纳米级铁，同时生成CO和H₂。

已知：Fe₂O₃(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO₂(g)     △H=-27.6kJ/mol

CH₄(g)+H₂O(g)=CO(g)+3H₂(g)              △H=+206.4kJ/mol

CO(g)+H₂O(g)=CO₂(g)+H₂(g)               △H=-41.0kJ/mol

①反应Fe₂O₃(s)+3 CH₄(g)2Fe(s)+3CO(g) +6H₂(g)的△H______0（填“>”、“<”或“=”）

②若该反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得体系中固体质量减少0.96g。则该段时间内CO的平均反应速率为__________。

③若该反应在恒温恒压容器中进行，能表明该反应达到平衡状态的是______(选填序号)

a．c(CH₄)=c(CO)

b．固体的总质量不变

c．v(CO)与v(H₂)的比值不变

d．混合气体的平均相对分子质量不变

④该反应的化学平衡常数的负对数pK随反应温度T的变化曲线如下图。试用平衡移动原理解释该曲线的变化规律：______________________。若700℃时测得c_平衡(H₂)=1.0mol·L^-1，则CH₄的转化率为_________。

(2)菱铁矿的主要成分是：FeCO₃，实验室中可以通过FeSO₄与NaHCO₃溶液混合制得FeCO₃，有关反应的离子方程式为：____________________。已知Ksp[FeCO₃】=3.2×10^-11，H₂CO₃的K_a1=4.30×10^-7，K_a2=5.61×10^-11。试通过以上数据简要计算说明该反应能进行的原因_____________________。

(3)Na₂FeO₄是一种高效净水剂，工业上以Fe为阳极，NaOH为电解质溶液进行电解制备，  写出阳极电极反应式：_____________________。

Answer

＞ 0.012mol·min-1 bd 该反应为吸热反应，温度越高反应进行的程度越大，K越大，则pK越小 50 % Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+CO2↑+H2O K=[H2CO3]/[Fe2+]·[HCO3-] 2=Ka2/Ksp[FeCO3] ·Ka1=4.08×106>105，所以易发生 Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O

【解析】（1）①已知：ⅠFe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H=-27.6kJ/mol

ⅡCH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+206.4kJ/mol

ⅢCO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-41.0kJ/mol

根据盖斯定律可知反应Ⅰ＋Ⅱ×3－Ⅲ×3即得到反应Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g) +6H2(g)的△H＝＋714.6 kJ/mol ＞0；

②若该反应在5L的密闭容器中进行，1min后达到平衡，测得体系中固体质量减少0.96g，根据方程式可知减少的质量即为氧化铁中氧原子的质量，物质的量是0.06mol，所以生成CO是0.06mol，则该段时间内CO的平均反应速率为0.06mol/(5L×1min)= 0.012mol·min-1。③a．c(CH4)=c(CO)不能说明正逆反应速率相等，则不一定处于平衡状态，a错误；b．固体的总质量不变说明反应达到平衡状态，b正确；c．v(CO)与v(H2)的比值始终是1：2，不能据此说明反应达到平衡状态，c错误；d．混合气体的质量和物质的量均是变化的，因此混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态，d正确，答案选bd；④由于该反应为吸热反应，温度越高反应进行的程度越大，K越大，则pK越小；若700℃时测得c平衡(H2)=1.0mol·L-1，此时pK＝0，即K＝1。

Fe2O3(s)+3CH4(g)2Fe(s)+3CO(g) +6H2(g)

起始浓度（mol/L） x 0 0

转化浓度（mol/L） 0.5 0.5 1

平衡浓度（mol/L） x－0.5 0.5 1

则，解得x＝1，所以CH4的转化率为50%。(2) FeSO4与NaHCO3溶液混合可制得FeCO3，反应的离子方程式为Fe2++2HCO3-=FeCO3↓+CO2↑+H2O。已知Ksp[FeCO3】=3.2×10-11，H2CO3的Ka1=4.30×10-7，Ka2=5.61×10-11。由于K=[H2CO3]/[Fe2+]·[HCO3-] 2=Ka2/Ksp[FeCO3] ·Ka1=4.08×106>105，所以该反应能进行。(3)阳极发生铁失去电子的氧化反应转化为高铁酸根，电极反应为Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O。