Question

鋼鐵工業(yè)在我國國民經(jīng)濟中處于十分重要的位置，工業(yè)上采用高爐煉鐵，常用赤鐵礦、焦炭、空氣與熔劑（石灰石）作原料．已知赤鐵礦被還原劑還原是逐級進行的，還原時溫度及CO、CO₂平衡混合氣中CO的體積分數(shù)的關系如圖：
（1）在溫度低于570℃時，還原分兩階段完成，在溫度高于570℃時，依次發(fā)生的還原反應是：

 

（用圖中a b c d填空）．
（2）為減少高爐煉鐵時含CO的尾氣排放，下列研究方向不可取的是

 

．
a．其他條件不變，增加高爐的高度
b．調(diào)節(jié)還原時的爐溫
c．增加原料中焦炭與赤鐵礦的比例
d．將生成的鐵水及時移除
（3）已知下列反應數(shù)值：
①Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H₁=-26.7kJ?mol^-1
②3Fe₂O₃（s）+CO（g）=2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）△H₂=-50.8kJ?mol^-1
③Fe₃O₄（s）+CO（g）=3FeO（s）+CO₂（g）△H₃=-36.5kJ?mol^-1
④FeO（s）+CO（g）=Fe（s）+CO₂（g）△H₄，則反應④△H₄=

 

kJ?mol^-1．
（4）1100℃時，反應FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）的平衡常數(shù)K=0.4．現(xiàn)在一密閉容器中加入7.2g FeO，同時通入4.48L的CO（標準狀況），將其升溫1100℃，并維持溫度不變，達平衡時，F(xiàn)eO的轉化率為

 

．
（5）氫氣將會成為21世紀最理想的能源，也是日下較完美的煉鐵還原劑，現(xiàn)已部分使用于低碳鋼的煉制中．用甲烷制氫是一種廉價的制氫方法．有關的熱化學方程式如下：
CH₄ （g）+0.5O₂（g）?CO（g）+2H₂（g）△H=-36kJ?mol^-1…（a）
CH₄ （g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+216kJ?mol^-1…（b）
①為何多用反應（b）制氫氣

 

．
②工業(yè)上將甲烷和水蒸氣反應后的混合氣體進行如下反應CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），再在1000℃下，用過高壓水蒸汽洗滌混合氣體，再經(jīng)過處理后即可直接作為合成氨的原料氣．高溫高壓處理的理由是

 

．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學平衡的調(diào)控作用

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題

分析：（1）由圖可知在溫度低于570℃時，發(fā)生反應為3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂，F(xiàn)e₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂．在溫度高于570℃時，發(fā)生的還原反應有3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂，F(xiàn)e₃O₄+CO=3FeO+CO₂，F(xiàn)eO+CO=Fe+CO₂．根據(jù)鐵元素的化合價判斷發(fā)生反應的順序；
（2）為減少高爐冶鐵時，含CO的尾氣排放，應是平衡向正反應移動，根據(jù)平衡移動分析；
（3）根據(jù)蓋斯定律構造目標熱化學方程式；
（4）令轉化率的CO的物質的量為xmol，根據(jù)三段式用x表示出平衡時一氧化碳與二氧化碳的濃度，代入平衡常數(shù)計算x值，根據(jù)方程式可知轉化的FeO的物質的量n（FeO）=n（CO），計算轉化的FeO質量，最后利用轉化率定義計算；
（5）①a不好控制氧氣的量，易產(chǎn)生二氧化碳等雜質；
②依據(jù)化學反應速率和反應物的轉化率，生成物的溶解性分析判斷條件的選擇．

解答： 解：（1）由圖可知在溫度低于570℃時，發(fā)生反應bcd，由鐵元素的化合價降低可知，依次發(fā)生的還原反應有
3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂，F(xiàn)e₃O₄+CO=3FeO+CO₂，F(xiàn)eO+CO=Fe+CO₂．故反應順序為cdb．
故答案為：cdb；
（2）（a）其它條件不變，增加高爐的高度，不影響平衡移動，不能減小一氧化碳的排放，故a錯誤；
（b）反應為吸熱反應，調(diào)節(jié)還原時的爐溫，有利于平衡向正反應進行，降低一氧化碳的含量，故b正確；
（c）焦炭與赤鐵礦是固體，增加原料中焦炭與赤鐵礦的比例，不影響平衡移動，不能減小一氧化碳的排放，故c錯誤；
（d）生成的鐵水為液態(tài)，將生成的鐵水及時移出，不影響平衡移動，不能減小一氧化碳的排放，故d錯誤．
故選：acd；
（3）已知：①Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO ₂（g）△H₁=-26.7kJ?mol^-1；
②3Fe₂O₃（s）+CO（g）=2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）△H₂=-50.8kJ?mol^-1；
③Fe₃O₄（s）+CO（g）=3FeO（s）+CO₂ （g）△H₃=-36.5kJ?mol^-1；
由蓋斯定律可知，①×3-②-③×2得6FeO（s）+6CO（g）=6Fe（s）+6CO₂（g）△H=3△H₁-△H₂-2△H₁，
所以△H₄=

1

6

△H=

1

6

（3△H₁-△H₂-2△H₁）=

1

6

×[3×（-26.7kJ?mol^-1）-（-50.8kJ?mol^-1）-2×（-36.5kJ?mol^-1）]=7.3kJ?mol^-1．
故答案為：7.3．
（4）4.48LCO（已折合為標準狀況）物質的量為

4.48L

22.4L/mol

=0.2mol，令轉化率的CO的物質的量為xmol，則：
           FeO（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g），
開始（mol）：0.2              0
變化（mol）：x                x
平衡（mol）：0.2-x              x
一氧化碳的系數(shù)等于二氧化碳的系數(shù)，故可以用物質的量代替濃度計算平衡常數(shù)，
所以

x

0.2-x

=0.4，解得x=

2

35

mol
由方程式可知，轉化的FeO的物質的量n（FeO）=n（CO）=

2

35

mol，
所以FeO的轉化率為

2 35 mol×72g/mol

7.2g

×100%=57.1%，故答案為：57.1%；
（5）①反應a中，氧氣的量不好控制，易生成二氧化碳等雜質，故答案為：a不好控制氧氣的量，易產(chǎn)生二氧化碳等雜質；
②CO（g）+H₂O（g）?H₂ （g）+CO₂（g）△H＜0，再在1000℃下，用過高壓水蒸氣洗滌混合氣體，再經(jīng)過處理后即可直接作為合成氨的原料氣．高壓高溫處理的理由是高溫用利于提高反應速率，過高壓水蒸氣有利于平衡正向進行，提高一氧化碳轉化率，生成的二氧化碳中等溶解性；
故答案為：高溫有利于提高反應速率，過高壓水蒸氣條件下CO轉化率增大，且二氧化碳在水中的溶解度也增大．

點評：本題考查范圍廣、題目難度大，注意對圖象的正確分析和三段式法在平衡計算中的應用．