Question

铁及铁的氧化物广泛应于生产、生活、航天、科研领域。

(1)铁氧化合物循环分解水制H₂

已知：H₂O(l)===H₂(g)＋O₂(g)　ΔH₁＝＋285.5 kJ/mol

6FeO(s)＋O₂(g) ===2Fe₃O₄(s)　ΔH₂＝－313.2 kJ/mol

则：3FeO(s)＋H₂O(l)===H₂(g)＋Fe₃O₄(s)　ΔH₃＝___________

(2)Fe₂O₃与CH₄反应可制备“纳米级”金属铁，其反应为： 3CH₄(g) ＋ Fe₂O₃(s) 2Fe(s) ＋6H₂(g) ＋3CO(g)  ΔH₄

①此反应的化学平衡常数表达式为_________________________________。

②在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量“纳米级”金属铁，然后分别充入a molCO和2a mol H₂，三个容器的反应温度分别保持T₁、T₂、T₃，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1所示，此时I、II、III三个容器中一定处于化学平衡状态的是___________(选填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)；制备“纳米级”金属铁的反应：ΔH₄ _____ 0(填“＞”或“＜”)。

③在T℃下，向某恒容密闭容器中加入3molCH₄(g)和2mol Fe₂O₃(s)进行上述反应，反应起始时压强为P₀，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍。10 min内用Fe₂O₃(s)表示的平均反应速率为_______g·min^－1； T℃下该反应的K_p = _____________________；T℃下若起始时向该容器中加入2molCH₄(g)、4mol Fe₂O₃(s)、1molFe(s)、2mol H₂(g)、2molCO(g)，则起始时v (正)______v (逆) (填“＞”、“＜”或“＝”)。

(3)纳米铁粉与水中NO₃^－反应的离子方程式为 4Fe+ NO₃^－+10H⁺=4Fe²⁺+NH₄⁺+3H₂O

①研究发现，若pH偏低将会导致NO₃^－的去除率下降，其原因是_________________。

②相同条件下，纳米铁粉去除不同水样中NO₃^－的速率有较大差异，图2中所产生的差异的可能原因是__________________________________________________(答一条)。

Answer

＋128.9 kJ/mol Ⅲ ＞ 8 P06 ＞ 纳米铁粉与H＋反应生成H2 Cu或Cu2+催化纳米铁粉去除NO3－的反应(或形成的Fe－Cu原电池增大纳米铁粉去除NO3－的反应速率)

【解析】

(1)依据题干热化学方程式，结合盖斯定律进行计算；

(2)①化学平衡常数=；

②2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)⇌3CH4(g)＋Fe2O3(s)，根据图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，CO百分含量由小到大的顺序为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ΔH4大小；

③在T℃下，向某恒容密闭容器中加入3molCH4(g)和2mol Fe2O3(s)进行反应：3CH4(g)＋Fe2O3(s)⇌2Fe(s)＋H2(g)＋3CO(g)；反应起始时压强为P0，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍，列出三段式，求用Fe2O3(s)表示的平均反应速率；Kp＝；若起始时向该容器中加入2molCH4(g)、4mol Fe2O3(s)、1molFe(s)、2mol H2(g)、2molCO(g)，根据QC与K的关系判断反应进行的方向；

(3)①pH偏低，氢离子浓度偏大，则铁可与氢离子反应生成氢气；

②由图2可知铜离子浓度越大，去除率越大，铜离子可起到催化作用，也可能形成原电池反应。

(1)已知：①H2O(l)=H2(g)＋O2(g) ΔH1＝＋285.5 kJ/mol；②6FeO(s)＋O2(g)=2Fe3O4(s) ΔH2＝－313.2 kJ/mol；③3FeO(s)＋H2O(l)=H2(g)＋Fe3O4(s) ΔH3；由盖斯定律可得：③=①+×②，则ΔH3=ΔH1+×ΔH2=＋285.5 kJ/mol+×(－313.2 kJ/mol)=＋128.9 kJ/mol；

(2)①3CH4(g)＋Fe2O3(s)⇌2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)的化学平衡常数表达式为；

②在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同密闭容器中加入足量“纳米级”金属铁，然后分别充入a molCO和2a mol H2，发生反应2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)⇌3CH4(g)＋Fe2O3(s)，根据图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象，CO百分含量由小到大依次为：Ⅱ＜Ⅰ＜Ⅲ，T1中的状态转变成T2中的状态，CO百分含量减小，说明平衡正向移动，说明T1未达平衡状态，T2中的状态转变成T3中的平衡状态，CO百分含量增大，说明平衡逆向移动，说明T2可能达平衡状态，一定达到化学平衡状态的是Ⅲ；2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)⇌3CH4(g)＋Fe2O3(s)，该反应正反应为放热反应，则上述反应3CH4(g)＋Fe2O3(s)⇌2Fe(s)＋6H2(g)＋3CO(g)的ΔH4大于0；

③在T℃下，向某恒容密闭容器中加入3molCH4(g)和2mol Fe2O3(s)进行上述反应，反应起始时压强为P0，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍，设消耗甲烷的物质的量为xmol，则：

压强之比为气体物质的量之比，则平衡时气体物质的量为6mol，列式为3−x+2x+x＝6，解得x＝1.5mol，10 min内用Fe2O3(s)表示的平均反应速率为=8g/min，T℃下该反应的Kp ====P06；假设容器的体积为1L，则在T℃下，平衡时有1.5molCH4(g)，3molH2(g)，1.5molCO(g)，该反应的平衡常数K= ==36；若起始时向该容器中加入2molCH4(g)、4mol Fe2O3(s)、1molFe(s)、2mol H2(g)、2molCO(g)，QC= ==26v (逆)；

(3)①pH偏低，氢离子浓度偏大，则铁可与氢离子反应生成氢气，可导致NO3-的去除率下降；

②由图2可知铜离子浓度越大，去除率越大，铜离子可起到催化作用，也可能形成原电池反应。