Question

金屬鐵用途廣泛，高爐煉鐵的總反應為：Fe₂O₃（s）+3CO（g）2Fe（s）+3CO₂（g），請回答下列問題：
（1）一定溫度下，在體積固定的密閉容器中發(fā)生上述反應，可以判斷該反應已經達到平衡的是     。

A．密閉容器中總壓強不變

B．密閉容器中混合氣體的平均摩爾質量不變

C．密閉容器中混合氣體的密度不變

D．c（CO）= c（CO2）

E．Fe₂O₃的質量不再變化
（2）一定溫度下，上述反應的化學平衡常數(shù)為3.0，該溫度下將4molCO、2molFe₂O₃、6molCO₂、5molFe加入容積為2L的密閉容器中，此時反應將向      反應方向進行（填“正”或“逆”或“處于平衡狀態(tài)”）；反應達平衡后，若升高溫度，CO與CO₂的體積比增大，則正反應為      反應（填“吸熱”或“放熱”） 。
（3）已知：3Fe₂O₃（s）+CO（g）2Fe₃O₄（s）+CO₂（g） △H="–47" kJ/mol
Fe₃O₄（s）+CO（g）3FeO（s）+CO₂（g）   △H=" +19" kJ/mol
FeO（s）+CO（g）Fe（s）+CO₂（g）      △H="–11" kJ/mol
則Fe₂O₃（s）+3CO（g）2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=            。
（4）上述總反應在高爐中大致分為三個階段，各階段主要成分與溫度的關系如下表：

溫度	250℃ ～  600℃ ～  1000℃ ～  2000℃
主要成分	Fe2O3        Fe3O4          FeO            Fe

 
800℃時固體物質的主要成分為         ，該溫度下若測得固體混合物中m(Fe)︰m(O)=105︰32，則Fe₃O₄被CO還原為FeO的百分率為            （設其它固體雜質中不含F(xiàn)e、O元素）。

Answer 1

（16分）
（1）BCE（3分） （2）逆（3分）  放熱（2分）  （3）–25 kJ/mol （3分）  
（4）Fe₃O₄  FeO（2分）   80% （3分）

試題分析：（1）由高爐煉鐵總反應可知，該反應是氣體體積或物質的量不變的反應，則恒溫恒容下氣體的壓強始終保持不變，所以總壓強不變不能說明該反應達到平衡，故A錯誤；由于容器內混合氣體的平均摩爾質量等于總質量與總物質的量之比，雖然物質的量保持不變，但是混合氣體的質量逐漸增大，因為氧化鐵變?yōu)閱钨|鐵導致固體的質量減少，所以混合氣體的平均摩爾質量逐漸增大，當它保持不變時，說明該反應已達平衡，故B正確；由于容器中混合氣體的密度等于總質量與容積之比，雖然容積保持不變，但是混合氣體的總質量逐漸增大，則混合氣體的密度逐漸增大，當它不變時，說明該反應已達平衡，故C正確；平衡時各組分的濃度都保持不變，但是平衡濃度之比不一定等于化學方程式中系數(shù)之比，故D錯誤；氧化鐵是反應物或原料，隨著反應的進行，氧化鐵被消耗，其質量逐漸減小，當它的質量不再變化，說明該反應已達平衡，故E正確；（2）溫度不變，該反應化學平衡常數(shù)[K=c³(CO₂)/c³(CO)]不變；起始時c³(CO₂)/c³(CO)=(6/2) ³/(4/2) ³=27/8>K=3.0，則此時反應必須向逆反應方向進行，使生成物濃度減小、反應物濃度增大，c³(CO₂)/c³(CO)的比值才能減小為3.0，才能達到該溫度下的化學平衡；由于化學平衡常數(shù)等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值，則該反應的平衡常數(shù)為c(E)/[c²(A)·c(B)]；升高溫度，CO與CO₂的體積比增大，后者說明平衡向逆反應方向移動，前者導致平衡向吸熱反應方向移動，即逆反應是吸熱反應，則正反應是放熱反應；（3）先將四個熱化學方程式依次編號為①②③④，觀察已知焓變和未知焓變的熱化學方程式可得：（①+②×2+③×6）/3=④，根據蓋斯定律可知，④的焓變=[（–47）+（+19）×2+（–11）×6] kJ/mol /3=–25 kJ/mol；（4）依題意可知，800℃時固體物質的主要成分為Fe₃O₄、FeO；設固體混合物含有xmolFe₃O₄、ymolFeO，則n(Fe)=(3x+y)mol、n(O)=(4x+y)mol，m(Fe)=56×(3x+y)g、m(O)=16×(4x+y)g，m(Fe)/ m(O)="[" 56×(3x+y)]/[ 16×(4x+y)]=105/32，(4x+y)/ (3x+y)=112/105，x/(3x+y)=1/15，則y=15x；由于Fe₃O₄（s）+CO（g）3FeO（s）+CO₂（g），根據系數(shù)之比等于物質的量之比可知，被CO還原為ymolFeO的Fe₃O₄為y/3mol或4xmol，則總的Fe₃O₄為(x+y/3)mol或5xmol，被還原的Fe₃O₄與總的Fe₃O₄之比為(y/3)/ (x+y/3)=(4x)/(x+4x)=4/5，4/5×100%=80%，則Fe₃O₄被CO還原為FeO的百分率為80%。