Question

氫是一種理想的綠色清潔能源，氫氣的制取與儲(chǔ)存是氫能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。利用FeO/Fe₃O₄循環(huán)制氫，已知：
H₂O(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+4H₂(g)  △H=akJ/mol （I）
2Fe₃O₄(s)6FeO(s)+O₂(g)   △H=bkJ/mol  （II）
下列坐標(biāo)圖分別表示FeO的轉(zhuǎn)化率（圖-1 )和一定溫度時(shí)，H₂出生成速率[細(xì)顆粒(直徑0.25 mm)，粗顆粒(直徑3 mm)](圖-2)。

（1）反應(yīng)：2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)  △H=          (用含a、b代數(shù)式表示)；
（2）上述反應(yīng)b＞0，要使該制氫方案有實(shí)際意義，從能源利用及成本的角度考慮，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)II可采用的方案是：                                           ；
（3）900°C時(shí)，在兩個(gè)體積均為2.0L密閉容器中分別投人0.60molFeO和0.20mol H₂O(g)甲容器用細(xì)顆粒FeO、乙容器用粗顆粒FeO。
①用細(xì)顆粒FeO和粗顆粒FeO時(shí)，H₂生成速率不同的原因是：               ；
②細(xì)顆粒FeO時(shí)H₂O(g)的轉(zhuǎn)化率比用粗顆粒FeO時(shí)H₂O(g)的轉(zhuǎn)化率           （填“大”或“小”或“相等”）；
③求此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K（寫出計(jì)箅過程，保留兩位有效數(shù)字）。
（4）在下列坐標(biāo)圖3中畫出在1000°C、用細(xì)顆粒FeO時(shí)，H₂O(g)轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化示意圖（進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)注）。

Answer 1

（16分）（1）(2a+b)kJ/mol（2分）（無kJ/mol或“2a+b kJ/mol”扣1分，其他不給分）
（2）用廉價(jià)的清潔能源供給熱能（2分）（答用“太陽能”、“風(fēng)能”、“地?zé)崮堋薄ⅰ吧�物能”、“核能”供給熱能給3分；答“加熱”、“升高溫度”等均不給分）
（3）①細(xì)顆粒FeO表面積大，與H₂的接觸面積大，反應(yīng)速率加快（3分）  （“增大接觸面積，加快反應(yīng)速率”、“接觸面積越大，反應(yīng)速率越快”等合理表述給3分；答“增大反應(yīng)物濃度”、“FeO的量增加，反應(yīng)速率加快”給1分）；   ②相等（2分）（答“等于”、“=”給1分）
③（4分）解：900℃時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)FeO轉(zhuǎn)化的量為：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol
H₂O(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+4H₂(g)
起始物質(zhì)的量（mol）   0.20     0.60        0       0
變化物質(zhì)的量（mol）  0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物質(zhì)的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080       （2分）
由于固體物質(zhì)的濃度是常數(shù)，不能寫入平衡常數(shù)表達(dá)式，氣體物質(zhì)的濃度可以變化，根據(jù)c=n/V可求平衡時(shí)氫氣和水蒸氣的物質(zhì)的量濃度，則K====0.67（2分）
（4）（3分）

試題分析：（1）先對(duì)已知熱化學(xué)方程式編號(hào)為①②，觀察發(fā)現(xiàn)①×2+②可得，2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)，其焓變=①的焓變×2+②的焓變=(2a+b)kJ/mol；（2）b＞0，說明反應(yīng)II是吸熱反應(yīng)，可用用廉價(jià)的清潔能源供給熱能或用“太陽能”、“風(fēng)能”、“地?zé)崮堋�、“生物能”、“核能”供給熱能；（3）①FeO是反應(yīng)I中的固體反應(yīng)物，細(xì)顆粒FeO表面積大，與H₂的接觸面積大，反應(yīng)速率加快（或“增大接觸面積，加快反應(yīng)速率”、“接觸面積越大，反應(yīng)速率越快”等）；②由于固體物質(zhì)濃度是常數(shù)，F(xiàn)eO的用量和濃度保持不變，將粗顆粒FeO改為細(xì)顆粒FeO，只能加快反應(yīng)速率，不能使平衡移動(dòng)，因此H₂O(g)的平衡轉(zhuǎn)化率不變或相等；③解：900℃時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)FeO轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量量為：n(FeO)=0.60mol×40%=0.24mol，則：
H₂O(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+4H₂(g)
起始物質(zhì)的量（mol）   0.20     0.60        0       0
變化物質(zhì)的量（mol）  0.080     0.24      0.080   0.080
平衡物質(zhì)的量（mol）   0.12     0.36       0.080   0.080
由于固體物質(zhì)的濃度是常數(shù)，不能寫入平衡常數(shù)表達(dá)式，氣體物質(zhì)的濃度可以變化，根據(jù)c=n/V可求平衡時(shí)氫氣和水蒸氣的物質(zhì)的量濃度，則K====0.67；
（4）觀察圖1可得：隨著溫度的升高，F(xiàn)eO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，前者導(dǎo)致平衡向吸熱方向移動(dòng)，后者說明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，因此逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，則反應(yīng)I的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；其他條件保持不變時(shí)，900℃→1000℃就是升高溫度，既能加快反應(yīng)速率，又能使平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則H₂O(g)的轉(zhuǎn)化率由0逐漸增大，知道達(dá)到平衡，1000℃時(shí)達(dá)到平衡的時(shí)間比900℃時(shí)少，1000℃時(shí)H₂O(g)的平衡轉(zhuǎn)化率比900℃時(shí)小，由此可以畫出水蒸氣的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的示意圖。