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题型:综合题 难度:较难

近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题:

(1)Deacon发明的直接氧化法为:4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)。下图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl) ∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:

1

可知反应平衡常数K(300℃)____________K(400℃)(填“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400℃)=____________(列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是____________。

(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:

CuCl2(s)=CuCl(s)+2Cl2(g)  ΔH1=83 kJ·mol-1

CuCl(s)+2O2(g)=CuO(s)+2Cl2(g) ΔH2=-20 kJ·mol-1

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

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

(3)在一定温度的条件下,进一步提高HCI的转化率的方法是______________。(写出2种)

(4)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:

3

负极区发生的反应有____________________(写反应方程式)。电路中转移1 mol电子,需消耗氧气__________L(标准状况)

【答案】

大于   1   O2和Cl2分离能耗较高、HCl转化率较低   ﹣116   增加反应体系压强、及时除去产物   Fe3++e−=Fe2+,4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O   5.6  

【解析】

(1)根据反应方程式知,HCl平衡转化率越大,平衡常数K越大,结合图像知升高温度平衡转化率降低,说明升高温度平衡向逆反应方向进行,则K(300℃)>K(400℃);

由图像知,400℃时,HCl平衡转化率为84%,用三段式法对数据进行处理得:

1

起始(浓度)  c0 c0 0   0

变化(浓度)  0.84c0 0.21c0  0.42c0 0.42c0

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

则K=2;根据题干信息知,进料浓度比过低,氧气大量剩余,导致分离产物氯气和氧气的能耗较高;进料浓度比过高,HCl不能充分反应,导致HCl转化率较低;

(2)根据盖斯定律知,(反应I+反应II+反应III)×2得1  ∆H=(∆H1+∆H2+∆H3)×2=-116kJ·mol-1;

(3)若想提高HCl的转化率,应该促使平衡正向移动,该反应为气体体积减小的反应,根据勒夏特列原理,可以增大压强,使平衡正向移动;也可以及时除去产物,减小产物浓度,使平衡正向移动;

(4)电解过程中,负极区即阴极上发生的是得电子反应,元素化合价降低,属于还原反应,则图中左侧为负极反应,根据图示信息知电极反应为:Fe3++e-=Fe2+和4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O;电路中转移1mol电子,根据电子得失守恒可知需消耗氧气的物质的量是1mol÷4=0.25mol,在标准状况下的体积为0.25mol×22.4L/mol=5.6L。

题型:综合题 难度:较难
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