Question

【題目】金屬鈦(Ti)被稱(chēng)為21世紀(jì)金屬，在航海、航空、記憶和涂料方面應(yīng)用廣泛，TiO2是一種優(yōu)良的光催化劑。20世紀(jì)科學(xué)家嘗試用多種方法將金紅石(TiO2)還原，發(fā)現(xiàn)金紅石直接氯化是冶煉鈦的關(guān)鍵。

步驟：TiO2(s)＋2Cl2(g)＝TiCl4(g)＋O2(g) ΔH＝＋1493kJmol-1，ΔS＝＋61JK-1mol-1

該反應(yīng)發(fā)生溫度高達(dá)2170℃，能耗大，對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)要求幾乎達(dá)到苛刻程度。目前科學(xué)家采用金紅石加碳氯化方法，在較溫和條件下成功制取TiCl4，為人類(lèi)快速邁進(jìn)鈦合金時(shí)代做出了巨大貢獻(xiàn)。金紅石加碳氯化的主要反應(yīng)如下：

反應(yīng)Ⅰ：TiO2(s)＋2Cl2(g) +C(s)TiCl4(g)＋CO2(g) ΔH1，ΔS1＝＋64JK-1mol-1

反應(yīng)Ⅱ：TiO2(s)＋2Cl2(g) +2C(s)TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH2，△S2

已知：①C(s)＋O2(g)＝CO2(g) ΔH＝－394.3kJmol-1

②2C(s)＋O2(g)＝2CO(g) ΔH＝－222.3kJmol-1

請(qǐng)回答：

（1）反應(yīng)Ⅰ的ΔH1＝__kJmol-1。

（2）對(duì)于氣體參加的反應(yīng)，表示平衡常數(shù)KP時(shí)，用氣體組分B的平衡壓強(qiáng)P(B)代替該氣體物質(zhì)的量濃度c(B)，則反應(yīng)Ⅰ的KP＝__(用表達(dá)式表示)。

（3）在常溫、常壓、光照條件下，N2在催化劑TiO2表面與H2O發(fā)生反應(yīng)，2N2(g)＋6H2O(1)＝4NH3(g)＋3O2(g) ΔH＝＋1530.4kJmol-1

進(jìn)一步研究相同條件下NH3生成量與溫度的關(guān)系，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表：

實(shí)驗(yàn)組別	1	2	3	4
T/K	303	313	323	353
NH3生成量/(10-6mol)	4.8	5.9	6.0	2.0
O2生成量/(10-6mol)	3.6	4.4	4.5	1.5
反應(yīng)時(shí)間/h	3	3	3	3
容器體積/L	2	2	2	2

①請(qǐng)?jiān)谌鐖D中畫(huà)出上述反應(yīng)在“有催化劑”與“無(wú)催化劑”兩種情況下反應(yīng)過(guò)程中體系能量隨反應(yīng)過(guò)程的變化趨勢(shì)示意圖(圖中標(biāo)明必要的文字說(shuō)明)。___

②根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在303K時(shí)，在3h內(nèi)用氮?dú)獗硎酒淦骄�反�?yīng)速率為___molL-1h-1。判斷組別4中反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)___(填“是”或“否”)，并說(shuō)明理由___。

Answer 1

【答案】+1098.7 p(CO2)p(TiCl4)/p2(Cl2) 4×10-7 否 反應(yīng)正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正移，則n(NH3)應(yīng)大于6.0×10-6mol

【解析】

(1)TiO2(s)+2Cl2(g)═TiCl4(g)+O2(g)△H=+1493kJmol-1，△S=+61JK-1mol-1，C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394.3kJmol-1，可以依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到：TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)△H1；

(2)對(duì)于氣體參加的反應(yīng)，表示平衡常數(shù)KP時(shí)，用氣體組分B的平衡壓強(qiáng)P(B)代替該氣體物質(zhì)的量濃度c(B)，等于生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡分壓冪次方乘積；

(3)用判據(jù)△H-T△S來(lái)判斷反應(yīng)能否發(fā)生；

(4)①催化劑是通過(guò)降低反應(yīng)的活化能來(lái)加快化學(xué)反應(yīng)速率的；

②計(jì)算生成氧氣的反應(yīng)速率=，反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比計(jì)算氮?dú)獾姆磻?yīng)速率，2N2(g)+6H2O(1)═4NH3(g)+3O2(g)△H=+1530.4kJmol-1，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向進(jìn)行分析。

(1)依據(jù)熱化學(xué)方程式：①TiO2(s)+2Cl2(g)═TiCl4(g)+O2(g)△H=+1493kJmol-1，△S=+61JK-1mol-1，②C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394.3kJmol-1，可以依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算①+②得到：TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)△H1=+1098.7kJ/mol；

(2)對(duì)于氣體參加的反應(yīng)，表示平衡常數(shù)KP時(shí)，用氣體組分B的平衡壓強(qiáng)P(B)代替該氣體物質(zhì)的量濃度c(B)，反應(yīng)Ⅰ：TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)，反應(yīng)的Kp=；

(3)TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(1)+O2(g)△H=+151kJ/mol該反應(yīng)中，反應(yīng)物有2mol氣體，生成物只有1mol氣體，△S＜0，又△H＞0，則△H-T△S＞0，故反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，金紅石加碳氯化能在較溫和條件下成功制取TiCl4的原因是焓變減小，熵變?cè)龃螅�有利于反�?yīng)正向進(jìn)行；

(4)①催化劑是通過(guò)降低反應(yīng)的活化能來(lái)加快化學(xué)反應(yīng)速率的，使用催化劑后，活化能降低，圖象需要符合：1．兩條線(xiàn)的起點(diǎn)、終點(diǎn)分別相同．2．有催化劑曲線(xiàn)最高處能量要低．3．反應(yīng)物的總能量要低于生成物的總能量，圖象為：；

②在303K時(shí)，在3h內(nèi)氧氣的反應(yīng)速率==6×10-7mol/Lh，用氮?dú)獗硎酒淦骄�反�?yīng)速率v(N2)=v(O2)=×6×10-7mol/Lh=4×10-7mol/Lh；組別4中反應(yīng)正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正向移動(dòng)，則n(NH3)應(yīng)大于6.0×10-6mol，則組別4中反應(yīng)未達(dá)到平衡狀態(tài)。