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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)。

(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。
考点:考查化学反应原理,涉及盖斯定律、常见的能量转化形式、固体反应物颗粒粗细对反应速率和平衡移动的影响、化学平衡常数的计算、温度对反应速率和平衡移动的影响图像等。

练习册系列答案
相关习题

科目:高中化学 来源: 题型:填空题

氮是地球上含量丰富的原子元素,氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用。
(1)25℃时,0.1mol/LNH4NO3溶液中水的电离程度     (填“大于”、“等于”或“小于”) 0.1mol/L NaOH溶液中水的电离程度。
(2)若将0.1mol/L NaOH溶液和0.2mol/LNH4NO3溶液等体积混合,混合溶液中2c(NH4+)>c(NO3),所得溶液中离子浓度由大到小的顺序是                       
(3)发射火箭时肼(N2H4)为燃料,二氧化氮作氧化剂,两者反应生成氮气和气态水。经测定16g气体在上述反应中放出284kJ的热量。则该反应的热化学方程式是                       
(4)下图是1mol NO2和1mol CO反应生成CO2和NO过程中能量变化示意图。

已知:N2(g)+O2(g)=2NO(g)  △H=+180kJ/mol
2NO (g)+O2(g)=2NO2(g)     △H=-112.3kJ/mol
则反应:2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)的△H是       

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科目:高中化学 来源: 题型:计算题

工业上用CO生产燃料甲醇。一定条件下发生反应:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。

(1)图1是表示一定温度下,在体积为2L的密闭容器中加入4mol H2和一定量的CO后,CO和CH3OH(g)的浓度随时间变化情况。从反应开始到平衡,用CO浓度变化表示平均反应速率v(CO)=                        
(2)图2表示该反应进行过程中能量的变化。曲线a表示不使用催化剂时反应的能量变化,曲线b表示使用催化剂后的能量变化。该反应是_________(选填“吸热”或“放热”)反应,写出反应的热化学方程式                                              
(3)该反应平衡常数K为______________,温度升高,平衡常数K_________(填“增大”、“不变”或“减小”)
(4)恒容条件下,下列措施中能使增大的有               
a.升高温度           b.充入He气
c.再充入2 molH2      d.使用催化剂

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科目:高中化学 来源: 题型:计算题

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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科目:高中化学 来源: 题型:计算题

工业合成氨的反应为:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  △H <0
某实验将3.0 mol N2(g)和4. 0 mol H2(g)充入容积为10L的密闭容器中,在温度T1下反应。测得H2的物质的量随反应时间的变化如下图所示。

(1)反应开始3min内,H2的平均反应速率为                           
(2)计算该条件下合成氨反应的化学平衡常数(写出计算过程,结果保留2位有效数字)。
(3)仅改变温度为T2 ( T2小于TI)再进行实验,请在答题卡框图中画出H2的物质的量随反应时间变化的预期结果示意图。
(4)在以煤为主要原料的合成氨工业中,原料气氢气常用下述方法获得:
①C+H2O(g) CO+H2;②CO+H2O(g) CO2+H2
已知:CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g)  △H=—283.0kJ/mol
H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)  △H=—241.8kJ/mol
写出上述CO与H2O(g)反应的热化学方程式:                           
(5)合成氨工业中,原料气(N2、H2混有少量CO、NH3)在进入合成塔之前,用醋酸二氨合铜(I)溶液来吸收CO,其反应为:
CH3COO[Cu(NH3)2]+CO+NH3CH3COO[Cu(NH3)3]?CO  △H<0     
写出提高CO吸收率的其中一项措施:                           

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科目:高中化学 来源: 题型:实验题

50 mL 0.50 mol·L-1盐酸与50 mL 0.55 mol·L-1 NaOH溶液在如图所示的装置中进行中和反应。通过测定反应过程中所放出的热量可计算中和热。回答下列问题:

(1)从实验装置上看,图中尚缺少的一种玻璃用品是   
(2)烧杯间填满碎纸条的作用是            
(3)大烧杯上如不盖硬纸板,求得的中和热数值   (填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(4)实验中改用60 mL 0.50 mol·L-1盐酸跟50 mL 0.55 mol·L-1 NaOH溶液进行反应,与上述实验相比,所放出的热量   (填“相等”或“不相等”)。所求中和热   (填“相等”或“不相等”),简述理由:             
(5)用相同浓度和体积的氨水代替NaOH溶液进行上述实验,测得的中和热的数值会   ,用50 mL 0.50 mol·L-1 NaOH溶液进行上述实验,测得的中和热的数值会   (均填“偏大”“偏小”或“无影响”)。

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科目:高中化学 来源: 题型:实验题

已知:将KI、盐酸、试剂X和淀粉四种溶液混合,无反应发生。
①向其中滴加双氧水,发生反应:H2O2+2H++2Iˉ=2H2O+I2
②生成的I2立即与试剂X反应,当试剂X消耗完后,生成的 I2才会遇淀粉变蓝因此,根据试剂X的量、滴入双氧水至溶液变蓝所需的时间,即可推算:H2O2+2H++2Iˉ= 2H2O+I2的反应速率。
下表为某同学依据上述原理设计的实验及实验记录(各实验均在室温条件下进行):

编号
往烧杯中加入的试剂及其用量(mL)
催化剂
开始变蓝时间(min)
0.1 mol·Lˉ1
KI溶液
H2O
0.01 mol·Lˉ1
X溶液
0.1mol·Lˉ1
双氧水
1 mol·L1
稀盐酸
1
20.0
10.0
10.0
20.0
20.0

1.4
2
20.0
m
10.0
10.0
n

2.8
3
10.0
20.0
10.0
20.0
20.0

2.8
4
20.0
10.0
10.0
20.0
20.0
5滴Fe2(SO4)3
0.6
 
(1)已知:实验1、2的目的是探究H2O2浓度对H2O2+2H++2Iˉ= 2H2O+I2反应速率的影响。实验2中m=            ,n=              
(2)已知,I2与X完全反应时,两者物质的量之比为1∶2。按表格中的X和KI的加入量,加入V(H2O2)>________,才确保看到蓝色。
(3)实验1,浓度c(X)~ t的变化曲线如图,若保持其它条件不变,请在答题卡坐标图中,分别画出实验3、实验4,c(X) ~ t的变化曲线图(进行相应的标注)。
 
(4)实验4表明:硫酸铁能提高反应速率。催化剂能加快反应速率是因为催化剂      (填“提高”或“降低”)了反应活化能。
(5)环境友好型铝—碘电池已研制成功,已知电池总反应为:2Al(s)+3I2(s)2AlI3(s)。含Iˉ传导有机晶体合成物作为电解质,该电池负极的电极反应为:________________________,充电时Al连接电源的___________极。
(6)已知:N2H4(l) +2H2O2(l)= N2(g)+4H2O(g) △H1= -640kJ/mol  
H2O(l)=H2O(g)  △H2=+44.0kJ/mol
则0.25mol 液态肼与液态双氧水反应生成液态水时放出的热量是           

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科目:高中化学 来源: 题型:单选题

对于可逆反应mA(g)+nB(s)pC(g)+qD(g)反应过程中,其他条件不变时,产物D的质量分数D%与温度T或压强p的关系如图所示,请判断下列说法正确的是

A.降温,化学平衡向正反应方向移动 
B.使用催化剂可使D%有所增加 
C.化学方程式中气体的化学计量数m>p+q 
D.B的颗粒越小,正反应速率越快,有利于平衡向正反应方向移动 
?    

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科目:高中化学 来源: 题型:单选题

在一定温度下的恒容密闭容器中,当下列哪些物理量不再发生变化时,表明下述反应A(s)+2B(g) C(g)+D(g)已达到平衡状态①各气体物质的物质的量浓度②气体的总物质的量③混合气体的压强④混合气体的密度

A.只有①②B.只有①④C.只有①③④D.①②③④

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