Question

10．碳酸亞鐵（FeCO₃）是菱鐵礦的主要成分，將其在空氣中高溫煅燒能生成Fe₂O₃．再將Fe₂O₃在一定條件下還原可得“納米級”的金屬鐵，而“納米級”的金屬鐵則可用于制造固體催化劑．
（1）已知25℃，101kPa時：
①CO₂（g）=C（s）+O₂（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）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該反應的平衡常數(shù)K的表達式為$\frac{{c}^{3}（CO）．{c}^{6}（{H}_{2}）}{{c}^{3}（C{H}_{4}）}$．
②該反應在3L的密閉容器中進行，2min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應中質(zhì)量減少4.8g，則該段時間內(nèi)用H₂表示該反應的平均反應速率為0.03mol•L^-1•min^-1．
③在容積均為VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個相同密閉容器中加入足量Fe₂O₃，然后分別充入a mol CH₄，三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小于0（填“大于”或“小于”）．
（3）還原的鐵通過對N₂、H₂吸附和解吸可作為合成氨的固體催化劑．若用分別表示N₂、H₂、NH₃和固體催化劑，則在固體催化劑表面合成氨的過程可用圖表示：

①吸附后，能量狀態(tài)最低的是C（填字母序號）．
②由上述原理，在鐵表面進行NH₃的分解實驗，發(fā)現(xiàn)分解速率與濃度關系如圖3．從吸附和解吸過程分析，c₀前速率增加的原因可能是隨著氣相NH₃濃度的增加，催化劑的吸附率升高，固相NH₃濃度增加，NH₃的分解速率加快；c₀后速率降低的原因可能是催化劑吸附達到飽和，同時不利于解吸，NH₃的分解速率降低．

Answer 1

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）①化學平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；
②2min后達到平衡，測得Fe₂O₃在反應中質(zhì)量減少4.8g，依據(jù)化學方程式反應前后質(zhì)量變化計算生成氫氣的物質(zhì)的量，根據(jù)反應速率概念計算得到氫氣的反應速率；
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(zhuǎn)化率減小，據(jù)此判斷Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═2Fe（s）+3CO（g）+6H₂（g）△H大��；
（3）①化學鍵的斷裂要吸收能量，且該反應放熱；
②c₀前氨的濃度增加，導致反應速率加快；c₀后由于氨分子濃度太大阻礙N₂和H₂的解吸．

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）①化學平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比，該反應化學平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{3}（CO）．{c}^{6}（{H}_{2}）}{{c}^{3}（C{H}_{4}）}$，
故答案為：$\frac{{c}^{3}（CO）．{c}^{6}（{H}_{2}）}{{c}^{3}（C{H}_{4}）}$；
②Fe₂O₃（s）+3CH₄（g）═6H₂（g）+2Fe（s）+3CO（g）
       1mol                           6mol        
        $\frac{4.8g}{160g/mol}$                  n
 1mol：6mol=$\frac{4.8g}{160g/mol}$：n
n=0.18mol
氫氣表示的反應速率=$\frac{\frac{0.18mol}{3L}}{2min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1； 
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(zhuǎn)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(zhuǎn)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＜0，
故答案為：III；小于；  
（3）①由于化學鍵的斷裂要吸收能量，故活化狀態(tài)B的能量高于初始狀態(tài)A的能量，而此反應為放熱反應，故初始狀態(tài)A的能量高于末態(tài)C的能量，故C的能量最低；
故答案為：C；
②c₀前氨的濃度增加，導致反應速率加快；c₀后由于氨分子濃度太大阻礙N₂和H₂的解吸，故反應速率減慢；
故答案為：隨著氣相NH₃濃度的增加，催化劑的吸附率升高，固相NH₃濃度增加，NH₃的分解速率加快；催化劑吸附達到飽和，同時不利于解吸，NH₃的分解速率降低．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡影響因素、蓋斯定律等知識點，為高頻考點，側重考查學生分析、計算能力，明確外界條件對化學平衡移動影響原理、蓋斯定律原理是解本題關鍵，難點是（2）③的判斷．