Question

3．金屬鈦（Ti）被稱為21世紀金屬，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世紀科學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）△H=+1493kJ•mol^-1，△S=+61J•K^-1•mol^-1
該反應(yīng)發(fā)生溫度高達2170℃，能耗大，對設(shè)備和生產(chǎn)要求幾乎達到苛刻程度．目前科學家采用金紅石加碳氯化方法，在較溫和條件下成功制取TiCl₄，為人類快速邁進鈦合金時代做出了巨大貢獻．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）$\stackrel{高溫}{?}$TiCl₄（g）+CO₂（g）△H₁，△S₁=+64J•K^-1•mol^-1
反應(yīng)Ⅱ：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+2C（s）$\stackrel{高溫}{?}$TiCl₄（g）+2CO（g）△H₂，△S₂
已知：①C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-394.3kJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H=-222.3kJ•mol^-1
請回答：
（1）反應(yīng)Ⅰ的△H₁=+1098.7kJ•mol^-1．
（2）對于氣體參加的反應(yīng)，表示平衡常數(shù)K_P時，用氣體組分B的平衡壓強P（B）代替該氣體物質(zhì)的量濃度c（B），則反應(yīng)Ⅰ的K_P=$\frac{p（C{O}_{2}）p（TiC{l}_{4}）}{{p}^{2}（C{l}_{2}）}$（用表達式表示）．
（3）將金紅石加碳氯化反應(yīng)與金紅石直接氯化反應(yīng)比較，從焓變熵變的角度分析金紅石加碳氯化能在較溫和條件下成功制取TiCl₄的原因焓變減小，熵變增大，有利于反應(yīng)正向進行．
（4）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）△H=+1530.4kJ•mol^-1
進一步研究相同條件下NH₃生成量與溫度的關(guān)系，部分實驗數(shù)據(jù)見下表：

實驗組別	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)時間/h	3	3	3	3
容器體積/L	2	2	2	2

①請在圖中畫出上述反應(yīng)在“有催化劑”與“無催化劑”兩種情況下反應(yīng)過程中體系能量隨反應(yīng)過程的變化趨勢示意圖（圖中標明必要的文字說明）．
②根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在303K時，在3h內(nèi)用氮氣表示其平均反應(yīng)速率為4×10^-7mol•L^-1•h^-1．判斷組別4中反應(yīng)是否達到平衡狀態(tài)否（填“是”或“否”），并說明理由反應(yīng)正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正向移動，則n（NH₃）應(yīng)大于6.0×10^-6mol．

Answer 1

分析 （1）TiO₂（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（g）+O₂（g）△H=+1493kJ•mol^-1，△S=+61J•K^-1•mol^-1，C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-394.3kJ•mol^-1，可以依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+C（s）$\stackrel{高溫}{?}$TiCl₄（g）+CO₂（g）△H₁；
（2）對于氣體參加的反應(yīng)，表示平衡常數(shù)K_P時，用氣體組分B的平衡壓強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來判斷反應(yīng)能否發(fā)生；
（4）①催化劑是通過降低反應(yīng)的活化能來加快化學反應(yīng)速率的；
②計算生成氧氣的反應(yīng)速率=$\frac{△c}{△t}$，反應(yīng)速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比計算氮氣的反應(yīng)速率，2N₂（g）+6H₂O（1）═4NH₃（g）+3O₂（g）△H=+1530.4kJ•mol^-1，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向進行分析．

解答 解：（1）依據(jù)熱化學方程式：①TiO₂（s）+2Cl₂（g）═TiCl₄（g）+O₂（g）△H=+1493kJ•mol^-1，△S=+61J•K^-1•mol^-1，②C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-394.3kJ•mol^-1，可以依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算①+②得到：TiO₂（s）+2Cl₂（g）+C（s）$\stackrel{高溫}{?}$TiCl₄（g）+CO₂（g）△H₁=+1098.7KJ/mol，
故答案為：+1098.7；
（2）對于氣體參加的反應(yīng)，表示平衡常數(shù)K_P時，用氣體組分B的平衡壓強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）$\stackrel{高溫}{?}$TiCl₄（g）+CO₂（g），反應(yīng)的K_p=$\frac{p（C{O}_{2}）p（TiC{l}_{4}）}{{p}^{2}（C{l}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{p（C{O}_{2}）p（TiC{l}_{4}）}{{p}^{2}（C{l}_{2}）}$；
（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，熵變增大，有利于反應(yīng)正向進行，
故答案為：金紅石加碳氯化能在較溫和條件下成功制取TiCl₄的原因；
（4）①催化劑是通過降低反應(yīng)的活化能來加快化學反應(yīng)速率的，使用催化劑后，活化能降低，圖象需要符合：1．兩條線的起點、終點分別相同．2．有催化劑曲線最高處能量要低．3．反應(yīng)物的總能量要低于生成物的總能量，圖象為：，
故答案為：；
②在303K時，在3h內(nèi)氧氣的反應(yīng)速率=$\frac{\frac{3.6×1{0}^{-6}mol}{2L}}{3h}$=6×10^-7mol/L•h，用氮氣表示其平均反應(yīng)速率v（N₂）=$\frac{2}{3}$v（O₂）=$\frac{2}{3}$×6×10^-7mol/L•h=4×10^-7mol/L•h，
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，則n（NH₃）應(yīng)大于6.0×10^-6mol，則組別4中反應(yīng)未達到平衡狀態(tài)，
故答案為：4×10^-7，否，反應(yīng)正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正向移動，則n（NH₃）應(yīng)大于6.0×10^-6mol．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫、平衡常數(shù)表達式、影響化學平衡和化學反應(yīng)速率因素的分析判斷，概念計算是解題關(guān)鍵，題目難度中等．