Question

碳酸亚铁（FeCO₃）是菱铁矿的主要成分，将其隔绝空气加热到200 ℃开始分解为FeO和CO₂，若将其在空气中高温煅烧则生成Fe₂O₃。

（1）已知25 ℃、101 kPa时：

①C（s）＋O₂（g）=CO₂（g）　ΔH＝－393 kJ·mol^－1

②铁及其化合物反应的焓变示意图如图：

请写出FeCO₃在空气中煅烧生成Fe₂O₃的热化学方程式：___________。

（2）据报道，一定条件下Fe₂O₃可被甲烷还原为“纳米级”的金属铁。其化学方程式为Fe₂O₃（s）＋3CH₄（g）2Fe（s）＋3CO（g）＋6H₂（g）　ΔH

①反应在3 L的密闭容器中进行，2 min后达到平衡，测得Fe₂O₃在反应中质量减少4.8 g，则该段时间内用H₂表示该反应的平均反应速率为________________。

②将一定量的Fe₂O₃（s）和CH₄（g ）置于恒温恒容密闭容器中，在一定条件下反应，能说明反应达到平衡状态的是____________。

A CO和H₂的物质的量之比为1∶2

B 混合气体的密度不再改变

C 铁的物质的量不再改变

D v_正（CO）＝2v_逆（H₂）

③在容积均为V L的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同的密闭容器中加入足量“纳米级”的金属铁，然后分别充入a mol CO和2a mol H₂，三个容器的反应温度分别为T₁、T₂、T₃且恒定不变，在其他条件相同的情况下，实验测得反应均进行到t min时，CO的体积分数如图所示，此时Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个容器中一定处于化学平衡状态的是________；上述反应的ΔH________0（填“大于”或“小于”）。

（3）Fe₂O₃用CO还原焙烧的过程中，反应物、生成物和温度之间的关系如图所示。

（图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四条曲线是四个化学反应平衡时的气相组成对温度作图得到的；A、B、C、D四个区域分别是Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe稳定存在的区域）

若在800 ℃，混合气体中CO₂体积分数为40%的条件下，Fe₂O₃用CO还原焙烧，写出反应的化学方程式：__________。

（4）Fe₂O₃还可以用来制备FeCl₃，通过控制条件FeCl₃可生成聚合物，其离子方程式为xFe^3＋＋yH₂OFe_x（OH）＋yH^＋。下列措施不能使平衡正向移动的是________（填字母）。

A 加水稀释     B 加入少量铁粉

C 升温     D 加入少量Na₂CO₃

Answer

4FeCO3（s）＋O2（g）=2Fe2O3（s）＋4CO2（g）ΔH＝－260 kJ·mol－1 0.03 mol·L－1·min－1 BC Ⅲ 大于 Fe2O3＋CO2FeO＋CO2 B

【解析】

（1）图1分析书写热化学方程式，结合C（s）+O2（g）=CO2（g）△H=-393kJ•mol-1和盖斯定律计算得到FeCO3在空气中煅烧生成Fe2O3的热化学方程式；

（2）①2min后达到平衡，测得Fe2O3在反应中质量减少4.8g，依据化学方程式反应前后质量变化计算生成氢气的物质的量，根据反应速率概念计算得到氢气的反应速率；

②反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分浓度保持不变，据此分析；

③2Fe（s）+3CO（g）+6H2（g）═Fe2O3（s）+3CH4（g），根据图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，CO百分含量，由小到大，Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，结合化学平衡移动分析解答；根据温度对平衡的影响来判断，升高温度平衡逆向移动，CO的转化率减小，据此判断Fe2O3（s）+3CH4（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H2（g）△H大小；

（3）800℃时，混合气体中CO2体积分数为40%时，图象分析可知Fe2O3用CO还原得到氧化亚铁和一氧化碳；

（4）A．加水稀释，则水解平衡正向移动；

B．固体不能影响化学平衡；

C．控制条件使平衡正向移动，水解为吸热反应，所以升温平衡正向移动；

D．加入碳酸钠，则消耗氢离子，平衡正向移动。

（1）由铁及其化合物反应的焓变示意图可推知

①4Fe（s）＋3O2（g）=2Fe2O3 ΔH1＝-1648 kJ·mol-1

②2FeCO3（s）=2Fe（s）＋2C（s）＋3O2（g）ΔH2＝+1480 kJ·mol-1

③C（s）＋O2（g）=CO2（g） ΔH3＝-393 kJ·mol-1

则在空气中煅烧FeCO3生成Fe2O3的焓变ΔH＝2×ΔH2＋ΔH1＋4×ΔH3＝2×1480 kJ·mol-1＋（-1648 kJ·mol-1）＋4×（-393 kJ·mol-1）＝-260 kJ·mol-1，则热化学方程式为4FeCO3（s）＋O2（g）=2Fe2O3（s）＋4CO2（g）ΔH＝-260 kJ·mol-1；

故答案为：4FeCO3（s）＋O2（g）=2Fe2O3（s）＋4CO2（g）ΔH＝-260 kJ·mol-1；

（2）①测得Fe2O3在反应中减少的质量为4.8 g，则反应的n（Fe2O3）＝＝0.03 mol，根据反应方程式得n（H2）＝6n（Fe2O3）＝6×0.03 mol＝0.18 mol，则用H2表示的反应速率为v（H2）＝＝0.03 mol·L-1·min-1；

故答案为：0.03 mol·L-1·min-1；

②A.因为反应开始时，无CO和H2，随着反应的进行，CO和H2的物质的量之比一直为1∶2，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；

B.该反应有固体参加，反应前后气体的质量有变化，又因为容器恒容，所以当混合气体的密度不变时，反应达到平衡状态，故B正确；

C.铁为反应物，当其质量不再改变时，反应达到平衡状态，故C正确；

D.当2v正（CO）＝v逆（H2）时，反应达到平衡状态，故D错误；

综上所述，答案为BC；

③由题图可知，T1中的状态转变为T2中的状态，CO的体积分数减小，说明反应正向进行，所以状态Ⅰ未达到平衡状态；T2中的状态转变为T3中的状态，CO的体积分数增加，说明反应逆向移动，说明Ⅱ可能达到平衡状态，一定达到平衡状态的是状态Ⅲ；T3时温度最高，CO的体积分数增大，所以2Fe（s）＋3CO（g）＋6H2（g）=Fe2O3（s）＋3CH4（g）的正反应为放热反应，则逆反应的ΔH大于0，故答案为：Ⅲ；大于；

（3）800℃时，混合气体中二氧化碳的体积分数为40%时，由图可知，在C区，此时为氧化亚铁的稳定区域，所以产物为氧化亚铁，Fe2O3用CO还原焙烧得到氧化亚铁和二氧化碳，反应的方程式为：Fe2O3＋CO2FeO＋CO2，故答案为：Fe2O3＋CO2FeO＋CO2；

（4）A.水为反应物，加水稀释平衡会正向移动，故A正确；

B.加入铁粉，反应物Fe3＋的量减少，平衡会向逆向移动，故B错误；

C.该反应为吸热反应，所以升高温度，平衡会正向移动，故C正确；

D.加入少量Na2CO3，碳酸钠会消耗氢离子，使氢离子的浓度减小，平衡正向移动，故D正确；

综上所述，答案为B。