Question

【題目】工業煉鐵過程中涉及到的主要反應有：

i.C(s)+O2(g)=CO2(g)△H1=-393kJ/mol

ii.C(s)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172kJ/mol

iii.Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)△H3

iv.2Fe2O3(s)+3C(s)4Fe(s)+3CO2(g)△H4=+460kJ/mol

回答下列問題：

(1)反應iv_________(填“能”或“不能”)在任何溫度下自發進行。

(2)△H3=_________kJ/mol。

(3)T1時，向容積為10L的恒容密閉容器中加入3molFe2O3和3molCO發生反應iii，5min時達到平衡，平衡時測得混合氣體中CO2的體積分數為80%。

①0~5min內反應的平均速率v(CO2)=_________molL-lmin-l。

②該溫度下反應的平衡常數為_________。

③若將平衡后的混合氣體通入1L3.6mol/L的NaOH溶液，恰好完全反應，反應的離子方程式為_________，所得溶液中離子濃度由大到小的順序是_________

④下列選項中能夠說明該反應已經達到平衡狀態的是_________(填序號)。

a.Fe2O3的物質的量不再變化

b.體系的壓強保持不變

c.混合氣體的平均摩爾質量保持不變

d.單位時間內消耗CO和生成CO2的物質的量相等

(4)一定條件下進行反應iii，正向反應速率與時間的關系如圖所示，t2時刻改變了一個外界條件，可能是_________。

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Answer 1

【答案】不能 -28 0.048 64 2CO2+3OHˉ=CO+HCO+H2O c(Na+)＞c(HCO)＞c(CO)＞ c(OHˉ) ＞ c(H+) ac 恒壓條件下充入一定量的二氧化碳氣體

【解析】

(3)初始投料為3molFe2O3和3molCO，Fe2O3和Fe均為固體，容器恒容，則根據反應方程式可知反應過程中氣體的總物質的量不變，始終為3mol；平衡時CO2的體積分數為80%，即物質的量分數為80%，所以n(CO2)=3mol×80%=2.4mol，n(CO)=0.6mol。

(1)當△G=△H-T△S＜0時反應可以自發進行，反應iv的焓變△H4＞0，該反應為氣體分子數增多的反應，所以△S＞0，不能滿足任何溫度下△G都小于0，所以該反應不能在任何溫度下自發進行；

(2)已知：i.C(s)+O2(g)=CO2(g)△H1=-393kJ/mol

ii.C(s)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172kJ/mol

iii.Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)△H3

iv.2Fe2O3(s)+3C(s)4Fe(s)+3CO2(g)△H4=+460kJ/mol

由蓋斯定律可知(iv-ii×3)得到Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H3=[+460kJ/mol-(+172kJ/mol)×3]= -28kJ/mol；

(3)①根據分析可知0-5min內△n(CO2)=2.4mol，容器的容積為10L，所以v(CO2)==0.048mol·L-1·min-1；

②平衡時c(CO2)=0.24mol/L，c(CO)=0.06mol/L，平衡常數K==64；

③混合氣體中n(CO2)=2.4mol，1L3.6mol/L的NaOH溶液中n(NaOH)=3.6mol，n(CO2)： n(NaOH:2:3，所以該反應的離子方程式為2CO2+3OHˉ=CO+HCO+H2O，反應后溶液中的溶質為等物質的量濃度的Na2CO3和NaHCO3；Na+不發生水解，所以c(Na+)最大；碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，所以c(HCO)＞c(CO；溶液顯堿性，所以c(OHˉ) ＞ c(H+)，水解是微弱的，所以溶液中離子濃度由大到小為c(Na+)＞ c(HCO)＞c(CO)＞ c(OHˉ) ＞ c(H+)；

④a．固體的物質的量不再變化，說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，故a能說明；

b．反應前后氣體物質的量始終不變，體系的壓強始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態，故b不能說明；

c．反應前后氣體質量變化，氣體物質的量不變，所以未平衡時混合氣體的平均摩爾質量會發生改變，當其保持不變說明反應達到平衡狀態，故c能說明；

d．消耗CO和生成CO2均為正反應，只要反應發生單位時間內消耗CO和生成CO2的物質的量就相等，故其不能說明反應達到平衡狀態，故d不能說明；

綜上所述選ac；

(4)據圖可知t2時刻正反應速率突然減小，然后又逐漸增大，之后達到平衡時與原平衡的反應速率相等，說明反應物的濃度先是被減小，然后又逐漸增大，則該條件改變后平衡逆向移動，該反應正反應為放熱反應，升高溫度可以使平衡逆向移動，但升高溫度不能使正反應速率減小。而該反應前后氣體分子數不變，若保持壓強不變向密閉容器中充入二氧化碳，則容器的體積增大導致一氧化碳的濃度減小，正反應速率減小，則二氧化碳的濃度增大了，逆反應速率大于正反應速率，平衡向逆反應方向移動，根據溫度不變K=不變，且壓強不變時氣體的濃度不變，所以再次平衡時正反應速率與原平衡相等。因此，改變的條件可能是：恒壓條件下充入一定量的二氧化碳氣體。