Question

9．光氣（COCl₂）在塑料、制革、制藥等工業中有許多用途，工業上采用高溫下CO與Cl₂在活性碳催化下合成．
（1）實驗室中常用來制備氯氣的化學方程式為MnO₂+4HCl（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O；
（2）工業上利用天然氣（主要成分為CH₄）與CO₂進行高溫重整制備CO，已知CH₄、H₂、和CO的燃燒熱（△H）分別為-890.3kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1和-283.0kJ•mol^-1，則生成1m³（標準狀況）CO所需熱量為5.52×10³kJ；
（3）實驗室中可用氯仿（CHCl₃）與雙氧水直接反應制備光氣，其反應的化學方程式為CHCl₃+H₂O₂=HCl+H₂O+COCl₂；
（4）COCl₂的分解反應為COCl₂（g）=Cl₂（g）+CO（g）△H=+108kJ•mol^-1．反應體系平衡后，各物質的濃度在不同條件下的變化狀況如下圖所示（第10min到14min的COCl₂濃度變化曲線未示出）：

①計算反應在地8min時的平衡常數K=0.234mol•L^-1；
②比較第2min反應溫度T（2）與第8min反應溫度T（8）的高低：T（2）＜ T（8）（填“＜”、“＞”或“=”）；
③若12min時反應與溫度T（8）下重新達到平衡，則此時c（COCl₂）=0.031mol•L^-1
④比較產物CO在2-3min、5-6min和12-13min時平均反應速率[平均反應速率分別以v（2-3）、v（5-6）、v（12-13）表示]的大小v（5-6）＞v（2-3）=v（12-13）；
⑤比較反應物COCl₂在5-6min和15-16min時平均反應速率的大小：v（5-6）＞ v（15-16）（填“＜”、“＞”或“=”），原因是在相同溫度時，該反應的反應物濃度越高，反應速率越大．

Answer 1

分析 （1）實驗室用濃鹽酸和二氧化錳在加熱條件下制取氯氣；
（2）已知CH₄、H₂和CO的燃燒熱分別為890.3kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1、283.0kJ•mol^-1，熱化學方程式為：
①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
依據蓋斯定律①-②×2-③×2得到：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol，
根據CO和反應熱之間的關系式計算；
（3）氯仿和雙氧水反應生成HCl、水和光氣；
（4）①由圖可知，8min時COCl₂的平衡濃度為0.04mol/L，Cl₂的平衡濃度為0.11mol/L，CO的平衡濃度為0.085mol/L，代入平衡常數表達式K=$\frac{c（CO）．c（C{l}_{2}）}{c（COC{l}_{2}）}$計算；
②第8min時反應物的濃度比第2min時減小，生成物濃度增大，平衡向正反應方向移動，4min瞬間濃度不變，不可能為改變壓強、濃度，應是改變溫度，結合溫度對平衡影響判斷；
③由圖可知，10min瞬間Cl₂濃度不變，CO的濃度降低，故改變條件為移走CO，降低CO的濃度，平衡常數不變，與8min到達平衡時的平衡常數相同，由圖可知，12min時到達平衡時Cl₂的平衡濃度為0.12mol/L，CO的平衡濃度為0.06mol/L，根據平衡常數計算c（COCl₂）；
④根據化學反應速率的定義，可知反應在2～3 min和12～13 min處于平衡狀態，CO的平均反應速率為0；
⑤在5～6 min和15～16 min時反應溫度相同，在相同溫度時，該反應的反應物濃度越高，反應速率越大，但15～16 min時各組分的濃度都小，因此反應速率小．

解答 解：（1）實驗室用濃鹽酸和二氧化錳在加熱條件下制取氯氣，反應方程式為MnO₂+4HCl（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O，
故答案為：MnO₂+4HCl（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O；      
（2）已知CH₄、H₂和CO的燃燒熱分別為890.3kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1、283.0kJ•mol^-1，熱化學方程式為：
①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
依據蓋斯定律①-②×2-③×2得到：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol，
生成1m³（標準狀況）CO物質的量=$\frac{1000L}{22.4L/mol}$，所需熱量=$\frac{\frac{1000L}{22.4L/mol}×347kJ}{2mol}$=5.52×10³kJ
故答案為：5.52×10³kJ；
（3）氯仿和雙氧水反應生成HCl、水和光氣，反應方程式為CHCl₃+H₂O₂=HCl+H₂O+COCl₂，
故答案為：CHCl₃+H₂O₂=HCl+H₂O+COCl₂；
（4）①由圖可知，8min時COCl₂的平衡濃度為0.04mol/L，Cl₂的平衡濃度為0.11mol/L，CO的平衡濃度為0.085mol/L，K=$\frac{c（CO）．c（C{l}_{2}）}{c（COC{l}_{2}）}$=$\frac{0.085×0.11}{0.04}$=0.234mol/L，故答案為：0.234mol/L；
②由第2min反應溫度變為第8min反應溫度時，生成物濃度增大、反應物濃度減小，平衡向正反應方向移動，正反應是吸熱反應，升高溫度，平衡向正反應方向移動，所以T（2）＜T（8），
故答案為：＜；
③由圖可知，10min瞬間Cl₂濃度增大，CO的濃度降低，故改變條件為移走CO，降低CO的濃度，平衡常數不變，與8min到達平衡時的平衡常數相同，由圖可知，12min時到達平衡時Cl₂的平衡濃度為0.12mol/L，CO的平衡濃度為0.06mol/L，故：$\frac{0.06×0.12}{c（COC{l}_{2}）}$=0.234mol/L，解得c（COCl₂）=0.031mol/L；
故答案為：0.031；
④根據化學反應速率的定義，可知反應在2～3 min和12～13 min處于平衡狀態，CO的平均反應速率為0，在5～6min時，反應向正反應進行，故CO的平均反應速率為：v（5～6）＞v（2～3）=v（12～13），
故答案為：v（5～6）＞v（2～3）=v（12～13）；
⑤在5～6 min和15～16 min時反應溫度相同，在相同溫度時，該反應的反應物濃度越高，反應速率越大，但15～16 min時各組分的濃度都小，因此反應速率小，即v（5～6）＞v（15～16），
故答案為：＞；在相同溫度時，該反應的反應物濃度越高，反應速率越大．

點評 本題考查化學平衡計算、蓋斯定律等知識點，為高頻考點，明確外界條件對化學平衡影響、圖中曲線含義及變化產生的原因等知識點是解本題關鍵，溫度不變化學平衡常數不變，化學平衡常數與各物質濃度無關，題目難度中等．