Question

【题目】金属钛(Ti)被称为21世纪金属，在航海、航空、记忆和涂料方面应用广泛，TiO2是一种优良的光催化剂。20世纪科学家尝试用多种方法将金红石(TiO2)还原，发现金红石直接氯化是冶炼钛的关键。

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

该反应发生温度高达2170℃，能耗大，对设备和生产要求几乎达到苛刻程度。目前科学家采用金红石加碳氯化方法，在较温和条件下成功制取TiCl4，为人类快速迈进钛合金时代做出了巨大贡献。金红石加碳氯化的主要反应如下：

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

反应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

请回答：

（1）反应Ⅰ的ΔH1＝__kJmol-1。

（2）对于气体参加的反应，表示平衡常数KP时，用气体组分B的平衡压强P(B)代替该气体物质的量浓度c(B)，则反应Ⅰ的KP＝__(用表达式表示)。

（3）在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂TiO2表面与H2O发生反应，2N2(g)＋6H2O(1)＝4NH3(g)＋3O2(g) ΔH＝＋1530.4kJmol-1

进一步研究相同条件下NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见表：

实验组别	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
反应时间/h	3	3	3	3
容器体积/L	2	2	2	2

①请在如图中画出上述反应在“有催化剂”与“无催化剂”两种情况下反应过程中体系能量随反应过程的变化趋势示意图(图中标明必要的文字说明)。___

②根据表中数据，在303K时，在3h内用氮气表示其平均反应速率为___molL-1h-1。判断组别4中反应是否达到平衡状态___(填“是”或“否”)，并说明理由___。

Answer 1

【答案】+1098.7 p(CO2)p(TiCl4)/p2(Cl2) 4×10-7 否 反应正反应为吸热反应，升高温度平衡正移，则n(NH3)应大于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，可以依据热化学方程式和盖斯定律计算得到：TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)△H1；

(2)对于气体参加的反应，表示平衡常数KP时，用气体组分B的平衡压强P(B)代替该气体物质的量浓度c(B)，等于生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积；

(3)用判据△H-T△S来判断反应能否发生；

(4)①催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的；

②计算生成氧气的反应速率=，反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算氮气的反应速率，2N2(g)+6H2O(1)═4NH3(g)+3O2(g)△H=+1530.4kJmol-1，反应是吸热反应，升温平衡正向进行分析。

(1)依据热化学方程式：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，可以依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②得到：TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)△H1=+1098.7kJ/mol；

(2)对于气体参加的反应，表示平衡常数KP时，用气体组分B的平衡压强P(B)代替该气体物质的量浓度c(B)，反应Ⅰ：TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)，反应的Kp=；

(3)TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(1)+O2(g)△H=+151kJ/mol该反应中，反应物有2mol气体，生成物只有1mol气体，△S＜0，又△H＞0，则△H-T△S＞0，故反应不能自发进行，金红石加碳氯化能在较温和条件下成功制取TiCl4的原因是焓变减小，熵变增大，有利于反应正向进行；

(4)①催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的，使用催化剂后，活化能降低，图象需要符合：1．两条线的起点、终点分别相同．2．有催化剂曲线最高处能量要低．3．反应物的总能量要低于生成物的总能量，图象为：；

②在303K时，在3h内氧气的反应速率==6×10-7mol/Lh，用氮气表示其平均反应速率v(N2)=v(O2)=×6×10-7mol/Lh=4×10-7mol/Lh；组别4中反应正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，则n(NH3)应大于6.0×10-6mol，则组别4中反应未达到平衡状态。