Question

1273K时H₂O(g) 通过红热的铁生产H₂，发生如下反应：Fe(s) + H₂O(g)  FeO(s)+H₂(g)，反应的平衡常数K_P  = 1.49（K _p是以各平衡混合气体分压表示的化学平衡常数）。

（1）计算每生产1.00 mol氢气需通入水蒸气的物质的量为多少？

（2）1273K时，若反应体系中只有0.30 mol的铁并通入1.00 mol水蒸气与其反应，试计算反应后各组分的物质的量。反应后体系是否处于平衡状态，为什么？

（3）1273K，当1.00 mol水蒸气与0.80 mol铁接触时，最后各组分的物质的量是多少？

Answer 1

（1）反应为Fe(s) + H₂O(g) = FeO(s) + H₂(g)

K_p = p(H₂)/ p(H₂O) =1.49

因为p(H₂) = n (H₂)RT / V    p(H₂O) = n (H₂O)RT / V

所以K_p = p(H₂)/ p(H₂O) = n(H₂)/ n(H₂O) = 1.49

当气相中n (H₂) = 1mol时，气相中还应有1/1.49即0.67 mol的H₂O(g)存在以维持平衡，故需通入1.67 mol的H₂O(g) 才能产生1mol H₂(g)。

（2）当1.00 mol H₂O(g) 与0.30 mol Fe反应时，将生成0.30 mol H₂(g)，用于平衡的

n(H₂O) = 0.30/1.49 = 0.20 mol

所以当0.30 mol Fe完全反应时共需0.30 + 0.20 = 0.5 mol H₂O（g），现有1.00 mol H₂O（g），故Fe可完全反应。此时体系组成为：

H₂(g)：0.30 mol；H₂O(g)：0.70 mol；FeO(s)0.30 mol；Fe：已不存在。

由于铁已全部反应完，体系未达化学平衡，气相中p(H₂)/ p(H₂O) = 0.30／0.70 = 0.43仅表示反应结束时它们的分压比。

（3）当体系中有0.80 mol Fe时，加入1.00 mo1 H₂O(g) 后，显然不可能使铁全部反应，设有x mol Fe起反应，应当消耗x mol H₂O(g)，同时生成x mol H₂(g)，故有

x +（x /1.49）= 1     解得x = 0.60 mol

即有0.60 mol的Fe反应生成0.6 mol的FeO(s)。所以此时体系的组成为

H₂(g)：0.60 mol；H₂O(s)：0.40 mol；FeO(s)：0.60 mol；Fe：0.20 mol。