Question

铁及铁的氧化物广泛应于生产、生活、航天、科研领域。

(1)铁通过对N₂、H₂吸附和解吸可作为合成氨的固体催化剂，原理为：N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)ΔH₁<0

①若用、和分别表示N₂、H₂、NH₃和固体催化剂，则在固体催化剂表面合成氨的过程可用下图表示，吸附后能量状态最低的是_________(填字母序号)；

②在三个1L的恒容密闭容器中，分别加入0.15molN₂和0.45molH₂发生上述反应，实验a、b、c中c(N₂)随时间(t)的变化如图所示(T表示温度)。与实验b相比，实验a、实验c分别采用的实验条件可能为_________、___________(仅改变一个条件)。

(2)Fe₂O₃与CH₄反应可制备“纳米铁粉”，其反应为：

Fe₂O₃(s)+3CH₄(g)2Fe(s)+3CO(g)+6H₂(g)ΔH₂

①此反应的化学平衡常数表达式为________；

②一定温度下，将一定量的Fe₂O₃(s)和CH₄(g)置于恒容密闭容器中反应，能说明反应达到平衡状态的是__________；

A混合气体的密度不再改变B铁的物质的量不再改变

CCO和H₂的浓度之比为1:2Dv_正(CO)=2v_逆(H₂)

③一定温度下，向体积为2L的密闭容器中加入0.2molFe₂O₃(s)和0.6molCH₄(g)进行上述反应，反应起始时压强为P,反应进行至5min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。5min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=___________（气体分压(p_分)=气体总压(p_总)×气体体积分数）；

(3)“纳米铁粉”可用于处理地下水中的污染物，其中与NO发生的离子方程式为4Fe+NO+l0H⁺=4Fe²⁺+NH+3H₂O,研究发现，相同条件下，纳米铁粉去除不同水样中NO的速率有较大差异(如下图)，产生该差异的原因可能是_______(答一条即可)。

Answer

C 加入了催化剂 升高温度 K= AB 3.2 P6 Cu或Cu2+催化纳米铁粉去除NO的反应(或形成的Fe-Cu原电池增大纳米铁粉去除NO的反应速率)

【解析】

(1)①由于化学键的断裂要吸收能量，故活化状态B的能量高于初始状态A的能量，而此反应为放热反应，故初始状态A的能量高于末态C的能量，故C的能量最低；

②实验a达到平衡的时间比实验b短，实验a达到平衡时c(N2)等于实验b达到平衡时c(N2)，即实验a采用的条件只影响化学反应速率、不影响化学平衡，实验a采用的实验条件为使用催化剂；实验c达到平衡的时间比实验b短，初始投料相同，实验a达到平衡时c(N2)大于实验b达到平衡时c(N2)，而该反应焓变小于零，为放热反应，则T2＞T1，即实验c采用的实验条件为升高温度；

(2)①该反应中Fe2O3和Fe均为固体，所以平衡常数表达式为K=；

②A．该反应前后气体的总质量发生变化，容器恒容，所以气体的体积不变，则密度发生改变，当密度不变时说明反应平衡，故A符合题意；

B．可逆反应达到平衡时正逆反应速率相等，各物质的物质的量不再改变，所以铁的物质的量不变时说明反应平衡，故B符合题意；

C．初始投料为Fe2O3与CH4，所以CO和H2的浓度之比一直等于计量数之比，所以二者浓度之比不变不能说明反应平衡，故C不符合题意；

D．平衡时v正(CO)=v逆(CO)，而平衡时2v逆(CO)=v逆(H2)，即平衡时2v正(CO)=v逆(H2)，故D不符合题意；

综上所述答案为AB；

③设平衡时转化的CH4的物质的量为x，则列三段式有：

恒容密闭容器中压强之比等于气体的物质的量之比，所以有=2，解得x=0.3mol，则相同时间内Δn(Fe2O3)=0.1mol，Δm(Fe2O3)=0.1mol160g/mol=16g，所以v(Fe2O3)==3.2g·min-1；

平衡时n(CH4)=0.3mol，n(CO)=0.3mol，n(H2)=0.6mol，初始为0.6molCH4，压强为P，气体的压强之比等于物质的量之比，则平衡时p(CH4)=p(CO)=0.5P，p(H2)=P，Kp==P6；

(3)据图可知含有铜离子的水样反应速率更快，所以原因可能是Cu或Cu2+催化纳米铁粉去除NO的反应(或形成的Fe-Cu原电池增大纳米铁粉去除NO的反应速率)。