Question

高炉炼铁是现代钢铁生产的重要环节，此法工艺简单，产量大，能耗低，仍是现代炼铁的主要方法，回答下列问题：

(1)已知炼铁过程的主要反应为Fe₂O₃(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO₂(g)  △H₁

还会发生3Fe₂O₃(s)+CO(g)=2Fe₃O₄(s)+CO₂(g)  △H₂=a kJ/mol；

Fe₃O₄(s)+CO(g)=3FeO(s)+CO₂(g)  △H₃=b kJ/mol；

FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+ CO₂(g)  △H₄=c kJ/mol；

则△H₁=________kJ/mol（用含a、b、c的代数式表示）。

(2)高炉炼铁产生的废气(CO、CO₂)有多种处理方法，反应原理如下：

①生成甲醇：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(l)。一定温度下在恒容密闭容器中模拟此反应，下列化学反应速率最快的是_______________

A．υ(CO)=1.2 mol/(L·min)    B．υ(H₂)=0.025 mol/(L·s)   C．υ(CH₃OH)=1 mol/(L·min)

②生成乙烯：2CO₂(g)+6H₂(g)C₂H₄(g)+4H₂O(g)。在两个容积相同的密闭容器中以不同的氢碳比[n(H₂)：n(CO₂)]充入原料气，CO₂平衡转化率α(CO₂)与温度的关系如图所示

氢碳比X_____2.0（填＞、＜或＝，下同），理由是___________________。

(3)反应CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)，其化学平衡常数K与温度T关系如表：

T/℃	700	800	1000	1200
K	0.6	1.0	2.3	3.6

①该反应是___________反应(填“吸热”或“放热”)。

②若某恒定温度下，向容积为1 L的恒容密闭容器中充入2 mol CO₂、3 mol H₂，10 min后反应达到平衡状态，测得υ (CH₃OH)=0.075 mol/(L·min)，则此反应条件下温度______800℃（填＞、＜或＝）。

③若反应在1200℃进行试验，某时刻测得反应容器中各物质浓度满足关系式2c(CO₂)·c³(H₂)=3c(CH₃OH)·c(H₂O)，此时反应在________向进行（填“正”或“逆”）。

Answer

b+2c A ＞ 相同温度下，氢碳比为X时二氧化碳转化率更高，则投料时H2的量更多 吸热 ＞ 正

【解析】

(1)根据盖斯定律，将已知热化学方程式叠加，可得待求反应的热化学方程式；

(2)①转化为用同一物质表示的反应速率，且速率单位相同，速率数值越大，反应越快；

②根据浓度对CO转化率的影响分析判断X的大小；

(3)①根据温度与平衡常数的关系分析判断；

②由甲醇反应速率计算平衡时各种物质的浓度，然后计算平衡常数，并与表格数据比较，进行判断；

③把浓度关系转化为浓度商，并与1200℃的平衡常数比较，然后判断反应进行的方向。

(1)已知反应：①3Fe2O3(s)+CO(g)=2Fe3O4(s)+CO2(g) △H2=a kJ/mol；

②Fe3O4(s)+CO(g)=3FeO(s)+CO2(g) △H3=b kJ/mol；

③FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g) △H4=c kJ/mol；

根据盖斯定律，将①×+②×+③×2，整理可得：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g) △H1=(b+2c) kJ/mol；

(2)①都转化为用CO的浓度变化表示反应速率，单位是mol/(L·min)，然后进行比较；

A.υ(CO)=1.2 mol/(L·min)；

B. υ(H2)=0.025 mol/(L·s)，则根据二者反应转化关系可知υ(CO)=υ(H2)=0.0125 mol/(L·s)=0.75 mol/(L·min)；

C. υ(CH3OH)=1 mol/(L·min)，则用CO表示反应速率为υ(CO)=1 mol/(L·min)，

可见选项A表示的化学反应速率最快；

②在温度不变时，增大反应物H2的浓度，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，即提高原料气的氢碳比，CO2的平衡转化率增大，根据图象可知：在相同温度下，氢碳比为X时二氧化碳转化率更高，则投料时H2的量更多，所以X＞2；

(3)①根据表格数据可知：升高温度，化学平衡常数增大，说明升高温度，平衡正向移动，则正反应方向为吸热反应；

②在1 L容器中发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，10 min后达到平衡，此时υ(CH3OH)=0.075 mol/(L·min)，则c(CH3OH)=0.075 mol/(L·min)×10 min=0.75 mol/L，根据物质反应转化关系可知平衡时c(H2O)=c(CH3OH)=0.75 mol/L，c(CO2)=2 mol/L-0.75 mol/L=1.25 mol/L，c(H2)=3 mol/L-0.75 mol/L×3=0.75 mol/L，则该温度下的化学平衡常数K==1.07＞1.0，大于800℃时的平衡常数，说明温度比800℃高；

③若反应在1200℃进行试验，某时刻测得反应容器中各物质浓度满足关系式为2c(CO2)·c3(H2)=3c(CH3OH)·c(H2O)，则此时浓度商Qc=＜3.6，比1200℃的化学平衡常数小，说明反应未达到平衡，反应正向进行。