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15.碳酸亞鐵(FeCO3)是菱鐵礦的主要成分,將其隔絕空氣加熱到200℃開始分解為FeO和CO2,若將其在空氣中高溫煅燒則生成Fe2O3

(1)已知25℃,101kPa時:
①C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393kJ•mol-1
②鐵及其化合物反應的焓變示意圖如圖1:
請寫出FeCO3在空氣中煅燒生成Fe2O3的熱化學方程式4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)△H=-260kJ•mol-1
(2)據(jù)報道,一定條件下Fe2O3可被甲烷還原為“納米級”的金屬鐵.其反應為:Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)△H
①反應在3L的密閉容器中進行,2min后達到平衡,測得Fe2O3在反應中質量減少4.8g,則該段時間內用H2表示該反應的平均反應速率為0.03mol•L-1•min-1
②將一定量的Fe2O3(s)和3CH4(g)置于恒溫恒容密閉容器中,在一定條件下反應,能說明反應達到平衡狀態(tài)的是BC.
A.CO和H2的物質的量之比為1:2               B.混合氣體的密度不再改變
C.鐵的物質的量不再改變                       D. v(CO)=2v(H2
③在容積均為VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個相同密閉容器中加入足量“納米級”的金屬鐵,然后分別充入a molCO和2amol H2,三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變,在其他條件相同的情況下,實驗測得反應均進行到t min時CO的體積分數(shù)如圖2所示,此時Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個容器中一定處于化學平衡狀態(tài)的是III;上述反應的△H大于0(填“大于”或“小于”).
④甲烷經重整催化作用提供反應氣的燃料電池如圖3(以熔融Li2CO3和K2CO3為電解質).則正極電極反應式為O2+4e-+2CO2═2CO32-,以此電池為電源電解精煉銅,當有0.1mol e-轉移時,有<3.2g銅溶解(填“>”、
“<”或“=”).
(3)Fe2O3用CO還原焙燒的過程中,反應物、生成物和溫度之 間的關系如圖4所示.
若在800℃,混合氣體中CO2體積分數(shù)為40%的條件下,F(xiàn)e2O3用CO還原焙燒,寫出反應的化學方程式為Fe2O3+CO800_2FeO+CO2
(4)Fe2O3還可以用來制備FeCl3,通過控制條件FeCl3可生成聚合物,其離子方程式為:x Fe3++y H2O═Fex(OH)y(3x-y)++y H+下列措施不能使平衡正向移動的是B(填序號)
A.加水稀釋   B.加入少量鐵粉     C.升溫     D.加入少量Na2CO3

分析 (1)圖1分析書寫熱化學方程式,結合C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393kJ•mol-1和蓋斯定律計算得到FeCO3在空氣中煅燒生成Fe2O3的熱化學方程式;
(2)①2min后達到平衡,測得Fe2O3在反應中質量減少4.8g,依據(jù)化學方程式反應前后質量變化計算生成氫氣的物質的量,根據(jù)反應速率概念計算得到氫氣的反應速率;
②反應達到平衡狀態(tài)時,正逆反應速率相等,各組分濃度保持不變,據(jù)此分析;
③2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),根據(jù)圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象,CO百分含量,由小到大,Ⅱ<Ⅰ<Ⅲ,結合化學平衡移動分析解答;根據(jù)溫度對平衡的影響來判斷,升高溫度平衡逆向移動,CO的轉化率減小,據(jù)此判斷Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)△H大��;
④該燃料電池中,通入甲烷的一極為原電池的負極,發(fā)生氧化反應,根據(jù)圖示信息知道負極電極反應式為:H2-2e-+CO32-=CO2+H2O,通入空氣和CO2的混合氣體一極為原電池的正極,發(fā)生還原反應,電極反應式為O2+4e-+2CO2=2CO32-,
(3)800℃時,混合氣體中CO2體積分數(shù)為40%時,圖象分析可知Fe2O3用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳;
(4)A.加水稀釋,則水解平衡正向移動;
B.固體不能影響化學平衡;
C.控制條件使平衡正向移動,水解為吸熱反應,所以升溫平衡正向移動;
D.加入碳酸鈉,則消耗氫離子,平衡正向移動.

解答 解:(1)①C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393kJ•mol-1
鐵及其化合物反應的焓變示意圖如圖1:寫出熱化學方程式為:
②2Fe(s)+2C(s)+3O2(g)=2FeCO3(s)△H=+1480KJ/mol,
③4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s)△H=-1648KJ/mol
蓋斯定律計算①×4-(②×2-③)得到FeCO3在空氣中煅燒生成Fe2O3的熱化學方程式:4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)△H=-260 kJ•mol-1,
故答案為:4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)△H=-260 kJ•mol-1;
(2)①Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)
       1mol                                   6mol        
       4.8g160g/mol                                n  
n=0.18mol
氫氣表示的反應速率=0.18mol3L2min=0.03 mol•L-1•min-1,
故答案為:0.03 mol•L-1•min-1; 
②A.反應中生成CO和H2的物質的量之比始終為1:2,不能說明反應正逆反應速率相同,故A錯誤;
B.反應前后氣體質量不變,氣體體積不變,當混合氣體的密度不再改變是沒反應達到平衡狀態(tài),故B正確;
C.鐵的物質的量不再改變說明反應達到平衡狀態(tài),故C正確;
D.反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比,為正反應速率之比,2 v(CO)=v(H2)說明反應達到平衡狀態(tài),v(CO)=2v(H2)不能說明反應正逆反應速率相同,故D錯誤;
故答案為:BC;
③在容積均為VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個相同密閉容器中加入足量“納米級”的金屬鐵,然后分別充入a molCO和2amol H2,2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),根據(jù)圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圖象,CO百分含量,由小到大依次為:Ⅱ<Ⅰ<Ⅲ,T1中的狀態(tài)轉變成T2中的狀態(tài),CO百分含量減小,說明平衡正向移動,說明T1未達平衡狀態(tài),T2中的狀態(tài)轉變成T3中的平衡狀態(tài),CO百分含量增大,說明平衡逆向移動,說明T2可能達平衡狀態(tài),一定達到化學平衡狀態(tài)的是Ⅲ,2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),該反應正反應為放熱反應,上述反應Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)的△H大于0,
故答案為:III,大于;   
④根據(jù)電極反應:負極電極反應式為:H2-2e-+CO32-=CO2+H2O,通入空氣和CO2的混合氣體一極為原電池的正極,發(fā)生還原反應,電極反應式為O2+4e-+2CO2=2CO32-,電解精煉銅,陰極上銅離子得到電子生成銅,電極反應Cu2++2e-=Cu,當電路有0.1mol e-轉移反應生成銅0.05mol,如果全部是銅放電,則溶解的銅的質量=0.05mol×64g/mol=3.2g,粗銅有比銅更活潑的金屬首先放電,所以溶解的銅小于3.2g,
故答案為:O2+4e-+2CO2═2CO32-,<;
(3)800℃時,混合氣體中CO2體積分數(shù)為40%時,由圖可知,“800℃、CO2體積分數(shù)為40%”時,在C區(qū),此時為FeO的穩(wěn)定區(qū)域,故產物為FeO,F(xiàn)e2O3用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳,反應的化學方程式為:Fe2O3+CO800_2FeO+CO2,
故答案為:Fe2O3+CO 800_ 2FeO+CO2;    
(4)A.加水稀釋,促進水解平衡正向移動,故A不符合;
B.固體不能影響化學平衡,加入少量鐵粉平衡不變,故B符合;
C.水解為吸熱反應,所以升溫平衡正向移動,故C不符合;
D.加入碳酸鈉,和水解生成的氫離子反應消耗氫離子,促進平衡正向移動,故D不符合;
故答案為:B;

點評 本題考查了圖象分析判斷的方法應用,主要是熱化學方程式書寫、平衡計算和平衡標志分析、原電池原理的分析判斷和電極反應的分析判斷,掌握基礎是解題的關鍵,題目難度中等.

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