Question

工业炼铁过程中涉及到的主要反应有：

i.C(s)+O₂(g)=CO₂(g)△H₁=-393kJ/mol

ii.C(s)+CO₂(g)=2CO(g)△H₂=+172kJ/mol

iii.Fe₂O₃(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO₂(g)△H₃

iv.2Fe₂O₃(s)+3C(s)4Fe(s)+3CO₂(g)△H₄=+460kJ/mol

回答下列问题：

(1)反应iv_________(填“能”或“不能”)在任何温度下自发进行。

(2)△H₃=_________kJ/mol。

(3)T₁时，向容积为10L的恒容密闭容器中加入3molFe₂O₃和3molCO发生反应iii，5min时达到平衡，平衡时测得混合气体中CO₂的体积分数为80%。

①0~5min内反应的平均速率v(CO₂)=_________mol•L^-l•min^-l。

②该温度下反应的平衡常数为_________。

③若将平衡后的混合气体通入1L3.6mol/L的NaOH溶液，恰好完全反应，反应的离子方程式为_________，所得溶液中离子浓度由大到小的顺序是_________

④下列选项中能够说明该反应已经达到平衡状态的是_________(填序号)。

a.Fe₂O₃的物质的量不再变化

b.体系的压强保持不变

c.混合气体的平均摩尔质量保持不变

d.单位时间内消耗CO和生成CO₂的物质的量相等

(4)一定条件下进行反应iii，正向反应速率与时间的关系如图所示，t₂时刻改变了一个外界条件，可能是_________。   

.

Answer

不能 -28 0.048 64 2CO2+3OHˉ=CO+HCO+H2O c(Na+)＞c(HCO)＞c(CO)＞ c(OHˉ) ＞ c(H+) ac 恒压条件下充入一定量的二氧化碳气体

【解析】

(3)初始投料为3molFe2O3和3molCO，Fe2O3和Fe均为固体，容器恒容，则根据反应方程式可知反应过程中气体的总物质的量不变，始终为3mol；平衡时CO2的体积分数为80%，即物质的量分数为80%，所以n(CO2)=3mol×80%=2.4mol，n(CO)=0.6mol。

(1)当△G=△H-T△S＜0时反应可以自发进行，反应iv的焓变△H4＞0，该反应为气体分子数增多的反应，所以△S＞0，不能满足任何温度下△G都小于0，所以该反应不能在任何温度下自发进行；

(2)已知：i.C(s)+O2(g)=CO2(g)△H1=-393kJ/mol

ii.C(s)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172kJ/mol

iii.Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)△H3

iv.2Fe2O3(s)+3C(s)4Fe(s)+3CO2(g)△H4=+460kJ/mol

由盖斯定律可知(iv-ii×3)得到Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H3=[+460kJ/mol-(+172kJ/mol)×3]= -28kJ/mol；

(3)①根据分析可知0-5min内△n(CO2)=2.4mol，容器的容积为10L，所以v(CO2)==0.048mol·L-1·min-1；

②平衡时c(CO2)=0.24mol/L，c(CO)=0.06mol/L，平衡常数K==64；

③混合气体中n(CO2)=2.4mol，1L3.6mol/L的NaOH溶液中n(NaOH)=3.6mol，n(CO2)： n(NaOH:2:3，所以该反应的离子方程式为2CO2+3OHˉ=CO+HCO+H2O，反应后溶液中的溶质为等物质的量浓度的Na2CO3和NaHCO3；Na+不发生水解，所以c(Na+)最大；碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，所以c(HCO)＞c(CO)；溶液显碱性，所以c(OHˉ) ＞ c(H+)，水解是微弱的，所以溶液中离子浓度由大到小为c(Na+)＞ c(HCO)＞c(CO)＞ c(OHˉ) ＞ c(H+)；

④a．固体的物质的量不再变化，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故a能说明；

b．反应前后气体物质的量始终不变，体系的压强始终保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故b不能说明；

c．反应前后气体质量变化，气体物质的量不变，所以未平衡时混合气体的平均摩尔质量会发生改变，当其保持不变说明反应达到平衡状态，故c能说明；

d．消耗CO和生成CO2均为正反应，只要反应发生单位时间内消耗CO和生成CO2的物质的量就相等，故其不能说明反应达到平衡状态，故d不能说明；

综上所述选ac；

(4)据图可知t2时刻正反应速率突然减小，然后又逐渐增大，之后达到平衡时与原平衡的反应速率相等，说明反应物的浓度先是被减小，然后又逐渐增大，则该条件改变后平衡逆向移动，该反应正反应为放热反应，升高温度可以使平衡逆向移动，但升高温度不能使正反应速率减小。而该反应前后气体分子数不变，若保持压强不变向密闭容器中充入二氧化碳，则容器的体积增大导致一氧化碳的浓度减小，正反应速率减小，则二氧化碳的浓度增大了，逆反应速率大于正反应速率，平衡向逆反应方向移动，根据温度不变K=不变，且压强不变时气体的浓度不变，所以再次平衡时正反应速率与原平衡相等。因此，改变的条件可能是：恒压条件下充入一定量的二氧化碳气体。