Question

氧化鐵在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用．

I據(jù)報道，一定條件下利用Fe₂O₃與甲烷反應(yīng)可制取“納米級”的金屬鐵．其反應(yīng)如下：
Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）?2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0
（1）若反應(yīng)在2L的密閉容器中進(jìn)行，5min后達(dá)到平衡，測得反應(yīng)生成Fe的質(zhì)量為l.12g．則該段時間內(nèi)CH₄的平均反應(yīng)速率為

 

．
（2）反應(yīng)達(dá)到平衡后，保持其他條件不變，僅改變某一相關(guān)元素，下列說法正確的是

 

（選填序號）．
a．若加入催化劑，v_正增大，平衡向右移動
b．若溫度升高，平衡常數(shù)K減小
c．若增大Fe₂O₃的量，平衡向右移動
d．若從反應(yīng)體系中移走部分CO，可提高CH₄的轉(zhuǎn)化率
Ⅱ工業(yè)上利用硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₂O₃、A1₂O₃、SiO₂等）為原料提取Fe₂O₃，工藝流程如圖1：試回答下列問題：
（3）結(jié)合如圖2，判斷步驟ⅱ中調(diào)節(jié)溶液的pH范圍

 

．
（4）寫出步驟2中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式

 

，步驟2中分離出的濾渣的化學(xué)式是

 

．
（5）已知

微粒平衡	平衡常數(shù)
Fe3CO3（s）?Fe2+（aq）+CO   2- 3 （aq）	Ksp=3.2×10-11
H2CO3?H++HCO   - 3	Ka1=4.36×10-7
HCO   - 3 ?H++CO   2- 3	Ka2=4.68×10-11
2HCO   - 3 ?H2CO3+CO   2- 3	K=1.3×-4

計算Fe²⁺（aq）+2HCO

- 3

（aq）?FeCO₃（s）+H₂CO₃（aq）的平衡常數(shù)為

 

．
（6）在空氣中煅燒FeCO₃生成氧化鐵的化學(xué)方程式為

 

．
（7）結(jié)合所學(xué)化學(xué)知識，請你設(shè)計在實驗室里從上述的硫鐵礦燒渣中提取氧化鐵的另一種簡單方案

 

．

Answer 1

考點：物質(zhì)分離和提純的方法和基本操作綜合應(yīng)用,反應(yīng)速率的定量表示方法,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡的計算,鐵的氧化物和氫氧化物

專題：實驗設(shè)計題,化學(xué)平衡專題

分析：Ⅰ．（1）鐵物質(zhì)的量=

1.12g

26g/mol

=0.02mol，根據(jù)化學(xué)方程式定量關(guān)系計算甲烷消耗的物質(zhì)的量，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率概念計算得到；
（2）依據(jù)化學(xué)反應(yīng)特征和影響平衡因素，結(jié)合化學(xué)平衡移動原理分析；
Ⅱ．（3）依據(jù)圖象分析可知加入鐵是還原鐵離子，同時調(diào)節(jié)溶液PH除去鋁離子，亞鐵離子不生成沉淀，溶液PH不高于7；
（4）流程分析，步驟i是硫酸溶解后過濾除去不溶雜質(zhì)，步驟ii是加入過量鐵調(diào)節(jié)溶液PH，過濾得到濾液除去過量鐵，步驟iii是過濾得到碳酸亞鐵沉淀；
（5）依據(jù)電離平衡常數(shù)結(jié)合反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式計算推斷得到；
（6）在空氣中煅燒FeCO₃生成氧化鐵和二氧化碳，依據(jù)原子守恒配平書寫化學(xué)方程式；
（7）依據(jù)氧化鐵不溶于氫氧化鈉溶液，氧化鋁和二氧化硅能溶解于氫氧化鈉溶液設(shè)計實驗．

解答： 解：（1）若反應(yīng)在2L的密閉容器中進(jìn)行，5min后達(dá)到平衡，測得反應(yīng)生成Fe的質(zhì)量為1.12g，鐵物質(zhì)的量=

1.12g

56g/mol

=0.02mol，結(jié)合化學(xué)方程式，F(xiàn)e₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g），計算反應(yīng)的甲烷物質(zhì)的量為0.03mol，則該段時間內(nèi)CH₄的平均反應(yīng)速率=

0.03mol 2L

5min

=0.003mol/（L?min）；
故答案為：0.003mol?L^-1?min^-1；
（2）Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H＞0，反應(yīng)是氣體體積不變的吸熱反應(yīng)
a．若加入催化劑，V_逆，v_正增大，速率同等程度增大，平衡不發(fā)生移動，故a錯誤；
b．反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，若溫度升高，平衡正向進(jìn)行，平衡常數(shù)K增大，故b錯誤；
c．若增大Fe₂O₃的量，氧化鐵是固體不允許平衡，平衡不移動，故d錯誤；
d．若從反應(yīng)體系中移走部分CO，減少生成物，平衡正向進(jìn)行，可提高CH₄的轉(zhuǎn)化率，故d正確；
故答案為：d；
（3）根據(jù)圖象可知，亞鐵離子開始沉淀時的pH值是7，所以要得到碳酸亞鐵，同時調(diào)節(jié)溶液PH除去鋁離子，亞鐵離子不生成沉淀，則溶液的pH不能高于7，且大于4.7，故答案為：4.7～7；
（4）判斷步驟ⅱ反應(yīng)主要為Fe³⁺+2Fe═3Fe²⁺，調(diào)節(jié)溶液pH，得到純凈的Fe²⁺，此時鋁離子以Al（OH）₃沉淀形成去除，故答案為：Fe³⁺+2Fe═3Fe²⁺；Al（OH）₃；
（5）反應(yīng)Fe²⁺（aq）+2HCO₃^-（aq）═FeCO₃（s）+H₂CO₃（aq）的平衡常數(shù)
K=

c(H2CO3)

c2(HCO3-)c(Fe2+)

=

c(H2CO3)c(CO32-)

c(Fe2+)c(CO32-)c2(HCO3-)

=

K

Ksp

=

1.3×10-4

3.2×10-11

=4.06×10⁶；
故答案為：4.06×10⁶；
（6）在空氣中煅燒FeCO₃生成氧化鐵和二氧化碳，依據(jù)原子守恒分析，生成氧化鐵同時生成二氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4FeCO₃+O₂

高溫  .

2Fe₂O₃+4CO₂，
故答案為：4FeCO₃+O₂

高溫  .

2Fe₂O₃+4CO₂；
（7）由于氧化鋁與二氧化硅均能和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，而氧化鐵和氫氧化鈉溶液不反應(yīng)，因此要提取氧化鐵的實驗方案可以設(shè)計為取少量磁鐵礦燒渣，加入足量熱的濃氫氧化鈉溶液中，攪拌，過濾，洗滌烘干得到；
故答案為：取少量磁鐵礦燒渣，加入足量熱的濃氫氧化鈉溶液中，攪拌，過濾，洗滌烘干得到．

點評：本題較為綜合，涉及反應(yīng)速率計算，化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響因素，方程式書寫方法，物質(zhì)分離與提純，實驗方案設(shè)計，平衡常數(shù)的有關(guān)計算，為高頻考點，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計算能力的考查，注意把握實驗的流程分析．題目難度中等．