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【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】
1人问答
更新时间:2024-03-29 07:05:22
问题描述:

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)高温

TiCl4(g)+CO2(g)△H1,△S1=+64J•K-1•mol-1

反应Ⅱ:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)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=___kJ•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=___(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___.

(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___mol•L-1•h-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___.

吕明珠回答:
  (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)高温
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