氢是一种理想的绿色清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。利用FeO/Fe3O4循环制氢，已知：H2O(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+4H

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氢是一种理想的绿色清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。利用FeO/Fe₃O₄循环制氢，已知：
H₂O(g)+3FeO(s)

Fe₃O₄(s)+4H₂(g) △H=akJ/mol （I）
2Fe₃O₄(s)

6FeO(s)+O₂(g) △H=bkJ/mol （II）
下列坐标图分别表示FeO的转化率（图-1 )和一定温度时，H₂出生成速率[细颗粒(直径0.25 mm)，粗颗粒(直径3 mm)](图-2)。

（1）反应：2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)  △H=          (用含a、b代数式表示)；
（2）上述反应b＞0，要使该制氢方案有实际意义，从能源利用及成本的角度考虑，实现反应II可采用的方案是：                                           ；
（3）900°C时，在两个体积均为2.0L密闭容器中分别投人0.60molFeO和0.20mol H₂O(g)甲容器用细颗粒FeO、乙容器用粗颗粒FeO。
①用细颗粒FeO和粗颗粒FeO时，H₂生成速率不同的原因是：               ；
②细颗粒FeO时H₂O(g)的转化率比用粗颗粒FeO时H₂O(g)的转化率           （填“大”或“小”或“相等”）；
③求此温度下该反应的平衡常数K（写出计箅过程，保留两位有效数字）。
（4）在下列坐标图3中画出在1000°C、用细颗粒FeO时，H₂O(g)转化率随时间变化示意图（进行相应的标注）。

答案

（16分）（1）(2a+b)kJ/mol（2分）（无kJ/mol或“2a+b kJ/mol”扣1分，其他不给分）
（2）用廉价的清洁能源供给热能（2分）（答用“太阳能”、“风能”、“地热能”、“生物能”、“核能”供给热能给3分；答“加热”、“升高温度”等均不给分）
（3）①细颗粒FeO表面积大，与H₂的接触面积大，反应速率加快（3分）（“增大接触面积，加快反应速率”、“接触面积越大，反应速率越快”等合理表述给3分；答“增大反应物浓度”、“FeO的量增加，反应速率加快”给1分）； ②相等（2分）（答“等于”、“=”给1分）
③（4分）解：900℃时，达到平衡时FeO转化的量为：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol
H₂O(g)+3FeO(s)

Fe₃O₄(s)+4H₂(g)
起始物质的量（mol）   0.20     0.60        0       0
变化物质的量（mol） 0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物质的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080       （2分）
由于固体物质的浓度是常数，不能写入平衡常数表达式，气体物质的浓度可以变化，根据c=n/V可求平衡时氢气和水蒸气的物质的量浓度，则K=

=0.67（2分）
（4）（3分）

解析

试题分析：（1）先对已知热化学方程式编号为①②，观察发现①×2+②可得，2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)，其焓变=①的焓变×2+②的焓变=(2a+b)kJ/mol；（2）b＞0，说明反应II是吸热反应，可用用廉价的清洁能源供给热能或用“太阳能”、“风能”、“地热能”、“生物能”、“核能”供给热能；（3）①FeO是反应I中的固体反应物，细颗粒FeO表面积大，与H₂的接触面积大，反应速率加快（或“增大接触面积，加快反应速率”、“接触面积越大，反应速率越快”等）；②由于固体物质浓度是常数，FeO的用量和浓度保持不变，将粗颗粒FeO改为细颗粒FeO，只能加快反应速率，不能使平衡移动，因此H₂O(g)的平衡转化率不变或相等；③解：900℃时，达到平衡时FeO转化的物质的量量为：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol，则：
H₂O(g)+3FeO(s)

Fe₃O₄(s)+4H₂(g)
起始物质的量（mol）   0.20     0.60        0       0
变化物质的量（mol） 0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物质的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080
由于固体物质的浓度是常数，不能写入平衡常数表达式，气体物质的浓度可以变化，根据c=n/V可求平衡时氢气和水蒸气的物质的量浓度，则K=

=0.67；
（4）观察图1可得：随着温度的升高，FeO的平衡转化率减小，前者导致平衡向吸热方向移动，后者说明平衡向逆反应方向移动，因此逆反应是吸热反应，则反应I的正反应是放热反应；其他条件保持不变时，900℃→1000℃就是升高温度，既能加快反应速率，又能使平衡向逆反应方向移动，则H₂O(g)的转化率由0逐渐增大，知道达到平衡，1000℃时达到平衡的时间比900℃时少，1000℃时H₂O(g)的平衡转化率比900℃时小，由此可以画出水蒸气的转化率随温度变化的示意图。

举一反三

合成氨然后再生产尿素是最重要的化工生产。
I．在3个2 L的密闭容器中，在相同的温度下、使用相同的催化剂分别进行反应：
3H₂(g) + N₂(g)

2NH₃(g)，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时有关数据如下：

容器

甲

乙

丙

反应物投入量

3 mol H₂、2 mol N₂

6 mol H₂、4mol N₂

2 mol NH₃

达到平衡的时间/min

平衡时N₂的浓度/mol·L^－1

c₁

1.5

NH₃的体积分数

ω₁

ω₃

混合气体密度/g·L^－¹

ρ₁

ρ₂

（1）容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v(H₂)=___________。
（2）在该温度下甲容器中反应的平衡常数K= (用含c₁的代数式表示)。
（3）分析上表数据，下列关系正确的是________（填序号）：
a．2c₁ > 1.5 b．2ρ₁= ρ₂ c．ω₃= ω₁
II．工业上用氨气合成尿素（H₂NCONH₂）的反应在进行时分为如下两步：
第一步：2NH₃(l)＋CO₂(g)

H₂NCOONH₄ (l) (氨基甲酸铵) △H1
第二步：H₂NCOONH₄(l)

H₂O(l)＋H₂NCONH₂(l) △H2
（4）某实验小组模拟工业上合成尿素的条件，在一体积为0.5 L密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳，实验测得反应中各组分随时间的变化如左下图I所示：

①已知总反应的快慢由慢的一步决定，则合成尿素总反应的快慢由第    步反应决定。
②第二步反应的平衡常数K随温度T的变化如右上图II所示，则△H2            0；③若第一步反应升温时氨气浓度增大，请在图II中画出第一步反应K₁随温度T变化曲线，并作出必要的标注。
（5）氨和尿素溶液都可以吸收硝工业尾气中的NO、NO₂，将其转化为N₂。
①尿素与NO、NO₂三者等物质的量反应为：CO(NH₂)₂+NO+NO₂=CO₂+2N₂+2H₂O
该反应中的氧化剂为                   （写化学式）。
②已知：N₂(g)+O₂(g)= 2NO(g)   △H ="a" kJ·mol^－¹
N₂(g)+3H₂(g)= 2NH₃(g) △H₂="bkJ·" kJ·mol^－1
2H₂(g)+O₂(g)= 2H₂O(g) △H=" c" kJ·mol^－1
则4NH₃(g) +4NO(g) +O₂(g)= 4N₂(g)+6H₂O(g) △H=             。
③尿素燃料电池结构如下图所示。其工作时负极电极反应式可表示为                      。

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目前工业合成氨的原理是：N₂(g)+3H₂(g)

2NH₃(g) △H=－93.0kJ /mol；另据报道，一定条件下：2N₂(g)+6H₂O(l)

4NH₃(g)+3O₂(g) △H=" +1530.0kJ" /mol。
（1）氢气的燃烧热△H=_______________kJ/mol。
（2）在恒温恒压装置中进行工业合成氨反应，下列说法正确的是。

A．气体体积不再变化，则已平衡

B．气体密度不再变化，尚未平衡

C．平衡后，往装置中通入一定量Ar，压强不变，平衡不移动

D．平衡后，压缩装置，生成更多NH₃

（3）在恒温恒容装置中进行合成氨反应，各组分浓度-时间图像如下。

① 表示N₂浓度变化的曲线是        。
② 前25 min 内，用H₂浓度变化表示的化学反应速率是                。
③ 在25 min末刚好平衡，则平衡常数K =           。
（4）在第25 min 末，保持其它条件不变，升高温度，在第35 min末再次平衡。平衡移动过程中H₂浓度变化了1.5 mol·L^－¹，在图中画出第25 min ～ 40 min NH₃浓度变化曲线。
（5）已知常温下，NH₄⁺的水解常数为1.0×10^－⁹，则0.1mol/L NH₄Cl溶液pH=           。（忽略NH₄⁺水解对NH₄⁺浓度的影响）

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I．甲醇是一种优质燃料，可制作燃料电池。工业上可用下列两种反应制备甲醇：
已知：CO(g) + 2H₂(g)

CH₃OH(g) ΔH₁
CO₂(g) ＋ 3H₂(g)

CH₃OH(g) + H₂O(g) ΔH₂
2H₂(g)+ O₂(g)=2H₂O(g) ΔH₃
则2CO(g)＋O₂(g)=2CO₂(g) 的反应热ΔH=____ ___（用ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃表示）。
II．工业上可利用“甲烷蒸气转化法生产氢气”，反应为：CH₄(g)+H₂O(g)

CO(g)+3H₂(g)。
已知温度、压强和水碳比[n(H₂O)/ n(CH₄)]对甲烷平衡含量的影响如下图：

图1（水碳比为3）                        图2（800℃）
（1）温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是                            。
（2）其他条件不变，请在图2中画出压强为2 MPa时，CH₄平衡含量与水碳比之间关系曲线。（只要求画出大致的变化曲线）
（3）已知：在700℃，1MPa时，1mol CH₄与1mol H₂O在1L的密闭容器中反应，6分钟达到平衡，此时CH₄的转化率为80%，求这6分钟H₂的平均反应速率和该温度下反应的平衡常数是多少？（写出计算过程，结果保留小数点后一位数字。）
III．某实验小组设计如图a所示的电池装置，正极的电极反应式为____                     ____。

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I．高炉炼铁是冶炼铁的主要方法，发生的主要反应为：
Fe₂O₃(s) + 3CO(g)

2Fe(s)+3CO₂(g)             △H
（1）已知：①Fe₂O₃(s) + 3C(石墨)="2Fe(s)" + 3CO(g)   △H₁
②C(石墨）+ CO₂(g) = 2CO(g)  △H₂
则△H___________________(用含△H₁、△H₂的代数式表示)。
（2）高炉炼铁反应的平衡常数表达式K=____________________________。
（3）在某温度时，该反应的平衡常数K=64，在2L恒容密闭容器甲和乙中，分别按下表所示加入物质，反应经过一段时间后达到平衡。

	Fe₂O₃	CO	Fe	CO₂
甲/mol	1.0	1.0	1.0	1.0
乙/mol	1.0	1.5	1.0	1.0

①甲容器中CO的平衡转化率为_______________________。
②下列说法正确的是____________________(填编号）。
A．若容器压强恒定，反应达到平衡状态
B．若容器内气体密度恒定，反应达到平衡状态
C．甲容器中CO的平衡转化率大于乙的
D．增加Fe₂O₃就能提高CO的转化率
II．纳米MgO可用尿素与氯化镁合成。某小组研究该反应在温度为378～398K时的反应时间、反应物配比等因素对其产率的影响。请完成以下实验设计表：

编号	温度/K	反应时间/h	反应物物质的量配比	实验目的
①	378	4	3∶1	实验②和④探究________ ______________________ 实验②和__________探究反应时间对产率的影响。
②	378	4	4∶1
③	378	3	_______
④	398	4	4∶1

下图为温度对纳米MgO产率（曲线a）和粒径(曲线b)的影响，请归纳出温度对纳米MgO制备的影响规律（写出一条）：
___________________________________________。

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以下是一些物质的熔沸点数据（常压）：

	钾	钠	Na₂CO₃	金刚石	石墨
熔点（℃）	63.65	97.8	851	3550	3850
沸点（℃）	774	882.9	1850（分解产生CO₂）	----	4250

金属钠和CO₂在常压、890℃发生如下反应：
4 Na（g）+ 3CO₂（g）

2 Na₂CO₃（l）+ C(s，金刚石) △H=－1080.9kJ/mol
（1）上述反应的平衡常数表达式为             ；若4v_正(Na)=3v_逆(CO₂)，反应是否达到平衡    （选填“是”或“否”）。
（2）若反应在10L密闭容器、常压下进行，温度由890℃升高到1680℃，若反应时间为10min, 金属钠的物质的量减少了0.20mol，则10min里CO₂的平均反应速率为             。
（3）高压下有利于金刚石的制备，理由是                                            。
（4）由CO₂（g）+4Na（g）=2Na₂O（s）+C（s，金刚石） △H=－357.5kJ/mol；则Na₂O固体与C（金刚石）反应得到Na（g）和液态Na₂CO₃（l）的热化学方程式                   。
（5）下图开关K接M时，石墨作   极，电极反应式为                 。K接N一段时间后测得有0.3mol电子转移，作出y随x变化的图象〖x—代表n(H₂O)_消耗，y—代表n［Al(OH)₃］，反应物足量，标明有关数据〗

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