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3.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)△H=+1493kJ•mol-1,△S=+61J•K-1•mol-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)$\stackrel{高温}{?}$TiCl4(g)+CO2(g)△H1,△S1=+64J•K-1•mol-1
反应Ⅱ:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)$\stackrel{高温}{?}$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
请回答:
(1)反应Ⅰ的△H1=+1098.7kJ•mol-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=$\frac{p(C{O}_{2})p(TiC{l}_{4})}{{p}^{2}(C{l}_{2})}$(用表达式表示).
(3)将金红石加碳氯化反应与金红石直接氯化反应比较,从焓变熵变的角度分析金红石加碳氯化能在较温和条件下成功制取TiCl4的原因焓变减小,熵变增大,有利于反应正向进行.
(4)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)△H=+1530.4kJ•mol-1
进一步研究相同条件下NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见下表:
实验组别1234
T/K303313323353
NH3生成量/(10-6mol)4.85.96.02.0
O2生成量/(10-6mol)3.64.44.51.5
反应时间/h3333
容器体积/L2222
①请在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4×10-7mol•L-1•h-1.判断组别4中反应是否达到平衡状态否(填“是”或“否”),并说明理由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.

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,可以依据热化学方程式和盖斯定律计算得到:TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)$\stackrel{高温}{?}$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=$\frac{△c}{△t}$,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=+1530.4kJ•mol-1,反应是吸热反应,升温平衡正向进行分析.

解答 解:(1)依据热化学方程式: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,可以依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②得到:TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)$\stackrel{高温}{?}$TiCl4(g)+CO2(g)△H1=+1098.7KJ/mol,
故答案为:+1098.7;
(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)$\stackrel{高温}{?}$TiCl4(g)+CO2(g),反应的Kp=$\frac{p(C{O}_{2})p(TiC{l}_{4})}{{p}^{2}(C{l}_{2})}$,
故答案为:$\frac{p(C{O}_{2})p(TiC{l}_{4})}{{p}^{2}(C{l}_{2})}$;
(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,
故答案为:金红石加碳氯化能在较温和条件下成功制取TiCl4的原因;
(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:
故答案为:
②在303K时,在3h内氧气的反应速率=$\frac{\frac{3.6×1{0}^{-6}mol}{2L}}{3h}$=6×10-7mol/L•h,用氮气表示其平均反应速率v(N2)=$\frac{2}{3}$v(O2)=$\frac{2}{3}$×6×10-7mol/L•h=4×10-7mol/L•h,
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,
故答案为:4×10-7,否,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.

点评 本题考查了热化学方程式书写、平衡常数表达式、影响化学平衡和化学反应速率因素的分析判断,概念计算是解题关键,题目难度中等.

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实验步骤实验现象
①将镁条用砂纸打磨后,放入试管中,加入少量水后,加热至水沸腾;再向溶液中滴加酚酞溶液A.浮在水面上,熔成小球,四处游动,发出“嘶嘶”声,随之消失,溶液变成红色
②将一小块金属钠放入滴有酚酞溶液的冷水中B.有气体产生,溶液变成浅红色
③将镁条投入稀盐酸中C.反应不十分剧烈;产生无色气体
④将铝条投入稀盐酸中D.剧烈反应,迅速产生大量无色气体
(1)实验目的:研究同周期金属元素性质递变规律.
(2)实验内容:(填写与实验步骤对应的实验现象的编号)
实验内容
实验现象(填A~D)
(3)写出实验①和④对应化学方程式
实验①Mg+2H2O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mg(OH)2+H2↑,
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CH4-161.0SiH4-112.0GeH4-90.0(e)-52.0
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B.系列②物质均有氧化性,系列③物质对应水溶液均是强酸
C.系列④中各化合物的稳定性顺序为:H2O>H2S>(d)>H2Te
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