Question

4．铁元素是重要的金属元素，单质铁在工业和生活中使用得最为广泛．铁还有很多重要的化合物及其化学反应．
如铁与水反应：3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H
（1）上述反应的平衡常数表达式K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$．
（2）已知：①3Fe（s）+2O₂（g）=Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ•mol^-1
则△H=-150.8kJ•mol^-1．
（3）在t℃时，该反应的平衡常数K=16，在2L恒温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．

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
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H₂O的平衡转化率为33.3%（结果保留一位小数）．
②下列说法正确的是BC （填编号）
A．若容器压强恒定，则反应达到平衡状态
B．若容器内气体密度恒定，则反应达到平衡状态
C．甲容器中H₂O的平衡转化率大于乙容器中H₂O的平衡转化率
D．增加Fe₃O₄就能提高H₂O的转化率
（4）若将（3）中装置改为恒容绝热（不与外界交换能量）装置，按下表充入起始物质，起始时与平衡后的各物质的量见表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
起始/mol	3.0	4.0	0	0
平衡/mol	m	n	p	q

若在达平衡后的装置中继续加入A、B、C三种状况下的各物质，见表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
A/mol	3.0	4.0	0	0
B/mol	0	0	1	4
C/mol	m	n	p	q

当上述可逆反应再一次达到平衡状态后，上述各装置中H₂的百分含量按由大到小的顺序排列的关系是B＞C＞A（用A、B、C表示）．

Answer 1

分析 （1）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
（2）已知：①3Fe（s）+2O₂（g）=Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②×②可得：3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g），则△H=△H₁-2△H₂；
（3）①t℃时，反应3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）的平衡常数K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$=16，则平衡时c（H₂）=2c（H₂O），根据H原子守恒，平衡时n（H₂）+n（H₂O）=2mol，联立计算解答；
②A．反应前后气体物质的量不变，恒温恒容下，压强始终不变；
B．随反应进行混合气体质量减小，容器的容积不变，容器内气体密度减小，当容器内气体密度恒定，说明到达平衡；
C．由①可知平衡时甲中水的转化率，根据①分析计算乙平衡时水的转化率；
D．增加Fe₃O₄不影响平衡移动；
（4）若温度相同，A、B、C三种状态下，均等效为增大压强，与原平衡为等效平衡，平衡时氢气体积分数相同．由（1）可知该反应正反应为放热反应，恒容绝热条件下，随反应进行温度发生变化．
由于反应前后气体体积相等，所以C状态下，平衡不移动，氢气的体积分数与原平衡相同；
A状态下，反应正向进行生成氢气，反应放出热量使容器温度升高，抑制反应继续生成氢气；
B状况下，反应逆向进行生成Fe和水，逆向过程吸热，使容器温度降低，抑制反应继续消耗氢气．

解答 解：（1）反应3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）的平衡常数K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$，
故答案为：$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$；
（2）已知：①3Fe（s）+2O₂（g）=Fe₃O₄（s）△H₁=-1118.4kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H₂=-483.8kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₃=-571.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②×②可得：3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g），则△H=△H₁-2△H₂=-1118.4kJ•mol^-1-2×（-483.8kJ•mol^-1）=-150.8kJ•mol^-1，
故答案为：-150.8kJ•mol^-1；
（3）①t℃时，反应3Fe（s）+4H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+4H₂（g）的平衡常数K=$\frac{{c}^{4}（{H}_{2}）}{{c}^{4}（{H}_{2}O）}$=16，则平衡时c（H₂）=2c（H₂O），故平衡时n（H₂）=2n（H₂O），根据H原子守恒，平衡时n（H₂）+n（H₂O）=2mol，则平衡时n（H₂O）=$\frac{2}{3}$mol，则H₂O的转化率为$\frac{1mol-\frac{2}{3}mol}{1mol}$×100%=33.3%，
故答案为：33.3%；
②A．反应前后气体物质的量不变，恒温恒容下，压强始终不变，故A错误；
B．随反应进行混合气体质量减小，容器的容积不变，容器内气体密度减小，当容器内气体密度恒定，说明到达平衡，故B正确；
C．由①可知平衡时甲中水的转化率为33.3%，乙平衡时c（H₂）=2c（H₂O），故平衡时n（H₂）=2n（H₂O），根据H原子守恒，平衡时n（H₂）+n（H₂O）=2.5mol，则平衡时n（H₂O）=$\frac{5}{6}$mol，则H₂O的转化率为$\frac{1.5mol-\frac{5}{6}mol}{1.5mol}$×100%=44.4%，故C正确；
D．增加Fe₃O₄不影响平衡移动，水的转化率不变，故D错误，
故选：BC；
（4）若温度相同，A、B、C三种状态下，均等效为增大压强，与原平衡为等效平衡，平衡时氢气体积分数相同．由（1）可知该反应正反应为放热反应，恒容绝热条件下，随反应进行温度发生变化．
由于反应前后气体体积相等，所以C状态下，平衡不移动，氢气的体积分数与原平衡相同；
A状态下，反应正向进行生成氢气，反应放出热量使容器温度升高，抑制反应继续生成氢气，故氢气体积分数：A＜C；
B状况下，反应逆向进行生成Fe和水，逆向过程吸热，使容器温度降低，抑制反应继续消耗氢气，故氢气体积分数：B＞C，
则氢气体积分数：B＞C＞A，
故答案为：B＞C＞A．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡常数、盖斯定律应用、平衡状态的判断等，题目综合性较强，难度较大，侧重考查学生对知识的综合运用能力．