Question

【題目】

近年來，隨著聚酯工業(yè)的快速發(fā)展，氯氣的需求量和氯化氫的產(chǎn)出量也隨之迅速增長。因此，將氯化氫轉(zhuǎn)化為氯氣的技術(shù)成為科學研究的熱點。回答下列問題：

（1）Deacon發(fā)明的直接氧化法為：4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)。下圖為剛性容器中，進料濃度比c(HCl) ∶c(O2)分別等于1∶1、4∶1、7∶1時HCl平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的關(guān)系：

可知反應平衡常數(shù)K（300℃）____________K（400℃）（填“大于”或“小于”）。設(shè)HCl初始濃度為c0，根據(jù)進料濃度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的數(shù)據(jù)計算K（400℃）=____________（列出計算式）。按化學計量比進料可以保持反應物高轉(zhuǎn)化率，同時降低產(chǎn)物分離的能耗。進料濃度比c(HCl)∶c(O2)過低、過高的不利影響分別是____________。

（2）Deacon直接氧化法可按下列催化過程進行：

CuCl2(s)=CuCl(s)+Cl2(g) ΔH1=83 kJ·mol-1

CuCl(s)+O2(g)=CuO(s)+Cl2(g) ΔH2=-20 kJ·mol-1

CuO(s)+2HCl(g)=CuCl2(s)+H2O(g) ΔH3=-121 kJ·mol-1

則4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=_________ kJ·mol-1。

（3）在一定溫度的條件下，進一步提高HCI的轉(zhuǎn)化率的方法是______________。（寫出2種）

（4）在傳統(tǒng)的電解氯化氫回收氯氣技術(shù)的基礎(chǔ)上，科學家最近采用碳基電極材料設(shè)計了一種新的工藝方案，主要包括電化學過程和化學過程，如下圖所示：

負極區(qū)發(fā)生的反應有____________________（寫反應方程式）。電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子，需消耗氧氣__________L（標準狀況）

Answer 1

【答案】大于 O2和Cl2分離能耗較高、HCl轉(zhuǎn)化率較低 ﹣116 增加反應體系壓強、及時除去產(chǎn)物 Fe3++e=Fe2+，4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O 5.6

【解析】

（1）根據(jù)反應方程式知，HCl平衡轉(zhuǎn)化率越大，平衡常數(shù)K越大，結(jié)合圖像知升高溫度平衡轉(zhuǎn)化率降低，說明升高溫度平衡向逆反應方向進行，則K(300℃)>K(400℃)；

由圖像知，400℃時，HCl平衡轉(zhuǎn)化率為84%，用三段式法對數(shù)據(jù)進行處理得：

起始（濃度） c0 c0 0 0

變化（濃度） 0.84c0 0.21c0 0.42c0 0.42c0

平衡（濃度）(1-0.84)c0 (1-0.21)c0 0.42c0 0.42c0

則K=；根據(jù)題干信息知，進料濃度比過低，氧氣大量剩余，導致分離產(chǎn)物氯氣和氧氣的能耗較高；進料濃度比過高，HCl不能充分反應，導致HCl轉(zhuǎn)化率較低；

（2）根據(jù)蓋斯定律知，（反應I+反應II+反應III）×2得 H=（H1+H2+H3）×2=-116kJ·mol-1；

（3）若想提高HCl的轉(zhuǎn)化率，應該促使平衡正向移動，該反應為氣體體積減小的反應，根據(jù)勒夏特列原理，可以增大壓強，使平衡正向移動；也可以及時除去產(chǎn)物，減小產(chǎn)物濃度，使平衡正向移動；

（4）電解過程中，負極區(qū)即陰極上發(fā)生的是得電子反應，元素化合價降低，屬于還原反應，則圖中左側(cè)為負極反應，根據(jù)圖示信息知電極反應為：Fe3++e－＝Fe2+和4Fe2++O2+4H+＝4Fe3++2H2O；電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子，根據(jù)電子得失守恒可知需消耗氧氣的物質(zhì)的量是1mol÷4＝0.25mol，在標準狀況下的體積為0.25mol×22.4L/mol＝5.6L。