Question

2．PCl₃和PCl₅都是重要的化工原料，均可通过磷和氯气化合得到，反应过程和能量关系如图1所示（图中的△H表示生成1mol产物的数据）．请回答下列问题：

（1）P和Cl₂反应生成PCl₃的热化学方程式P（s）$\frac{3}{2}$Cl₂（g）═PCl₃（g）△H=-306kJ•mol^-1．
（2）磷在氯气中燃烧反应中，若参加反应的磷与氯气的物质的量之比为1：1.8，充分反应后，生成物中PCl₃与PCl₅的物质的量之比为7：3．
（3）PCl₃可以被O₂氧化生成一种无色透明的带刺激性臭味的液体X，相对分子质量为153.5，其中氯元素的质量分数为0.694，计算确定X的化学式为POCl₃．
（4）反应PCl₃（g）+Cl₂（g）?PCl₅（g）在容积为10L的密闭容器中进行．起始时PCl₃和PCl₅均为0.2mol．反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图2所示．
①计算实验a从反应开始至达到平衡时的反应速率v（PCl₅）=1.7×10^-4mol/L•min．
②与实验a相比，其他两组改变的实验条件及判断依据是：b加入催化剂，反应速率加快但不影响化学平衡、c温度升高，依据PV=nRT可知，当物质的量和体积一定，压强增大是温度升高引起．
③实验a的平衡转化率a为50%、实验c的平衡常数K为100．

Answer 1

分析 （1）根据反应物的总能量、中间产物的总能量以及最终产物的总能量，结合化学方程式以及热化学方程式的书写方法解答；
（2）依据2P+3Cl₂=2PCl₃，2P+5Cl₂=2PCl₅，反应的定量关系可知，n（P）：n（Cl₂）=1：1.5产物为PCl₃，n（P）：n（Cl₂）=1：2.5产物为2PCl₅，磷在氯气中燃烧反应中，若参加反应的磷与氯气的物质的量之比为1：1.8，设P物质的量为1mol，氯气物质的量为1.8，生成xmolPCl₃，ymolPCl₅，依据元素守恒列式计算；
（3）相对分子质量为153.5，其中氯元素的质量分数为0.694，计算所含氯原子的数目，结合磷的化合价被氧化为最高正价+5价分析和氧原子、氯原子结合形成的化合物的化学式；
（4）气体压强之比等于气体物质的量之比，结合化学平衡三段式列式计算，设反应的氯气物质的量为x
             PCl₃（g）+Cl₂（g）?PCl₅（g）
起始量（mol） 0.2      0.2      0
变化量（mol） x       x       x
平衡量（mol） 0.2-x   0.2-x    x
①图象分析可知实验a气体压强160变化为120，60min达到平衡状态，
气体压强之比等于气体物质的量之比，0.4：（0.4-x）=160：120
x=0.1mol，依据化学反应速率概念计算；
②分析图象可知达到平衡状态的时间不同，时间越短反应速率越快；其中b和a达到相同平衡状态，但时间不同，说明b是加入了催化剂改变了反应速率；c混合气体压强增大，达到平衡时间缩短，所以是升温引起的压强增大；
③ab是相同平衡状态，PCl₅（g）的平衡转化率相同，转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%，平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$．

解答 解：（1）由图象可知，1molP与Cl₂反应生成1molPCl₃放出306kJ的能量，
则反应的热化学方程式为P（s）+$\frac{3}{2}$Cl₂（g）═PCl₃（g）△H=-306kJ•mol^-1，
故答案为：P（s）$\frac{3}{2}$Cl₂（g）═PCl₃（g）△H=-306kJ•mol^-1；
（2）依据2P+3Cl₂=2PCl₃，2P+5Cl₂=2PCl₅，反应的定量关系可知，n（P）：n（Cl₂）=1：1.5产物为PCl₃，n（P）：n（Cl₂）=1：2.5产物为2PCl₅，磷在氯气中燃烧反应中，若参加反应的磷与氯气的物质的量之比为1：1.8，设P物质的量为1mol，氯气物质的量为1.8，生成xmolPCl₃，ymolPCl₅，依据元素守恒列式计算；
x+y=1
3x+5y=1.8×2
x=0.7mol
y=0.3mol
生成物中PCl₃与PCl₅的物质的量之比=0.7：0.3=7：3，
故答案为：7：3；
（3）PCl₃可以被O₂氧化生成一种无色透明的带刺激性臭味的液体X，相对分子质量为153.5，其中氯元素的质量分数为0.694，设含氯原子为x，则$\frac{35.5x}{153.5}$=0.694
x=3，PCl₃可以被O₂氧化，磷元素化合价升高为+5价，依据原子结合形成的化学键分析，除结合三个氯原子外，只能结合一个氧原子，依据元素化合价代数和为0写出化学式POCl₃，符合相对分子质量，
故答案为：POCl₃；
（4）气体压强之比等于气体物质的量之比，结合化学平衡三段式列式计算，设反应的氯气物质的量为x
           PCl₃（g）+Cl₂（g）?PCl₅（g）
起始量（mol） 0.2     0.2         0
变化量（mol） x        x          x
平衡量（mol） 0.2-x   0.2-x       x
①图象分析可知实验a气体压强160变化为120，60min达到平衡状态，
气体压强之比等于气体物质的量之比，0.4：（0.4-x）=160：120
x=0.1mol
实验a从反应开始至达到平衡时的反应速率 v（PCl₅）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{0.1mol}{10L}}{60min}$=1.7×10^-4mol/L•min，
故答案为：1.7×10^-4mol/L•min；
②分析图象可知达到平衡状态的时间不同，时间越短反应速率越快，图中3组实验从反应开始至达到平衡时的反应速率v（PCl₃）由大到小的次序b＞c＞a，与实验a相比，b和a达到相同平衡状态，但时间不同，b组改变的实验条件及判断依据是加入了催化剂改变了反应速率；c混合气体压强增大，达到平衡时间缩短，所以是升温引起的压强增大；
故答案为：加入催化剂，反应速率加快但不影响化学平衡，温度升高，依据PV=nRT可知，当物质的量和体积一定，压强增大是温度升高引起；
③ab是相同平衡状态，PCl₅（g）的平衡转化率相同，
              PCl₃（g）+Cl₂（g）?PCl₅（g）
起始量（mol）  0.2      0.2        0
变化量（mol）  x        x          x
平衡量（mol） 0.2-x   0.2-x        x
图象分析可知实验a气体压强160变化为120，60min达到平衡状态，
气体压强之比等于气体物质的量之比，0.4：（0.4-x）=160：120
x=0.1mol
实验a的平衡转化率a=$\frac{0.1mol}{0.2mol}$×100%=50%，
平衡浓度c（ PCl₃）=0.01mol/L，c（Cl₂）=0.01mol/L，c（PCl₅）=0.01mol/L
平衡常数K=$\frac{0.01}{0.01×0.01}$=100，
故答案为：50%，100．

点评 本题考查了图象分析判断方法，化学平衡计算分析，影响化学平衡的因素理解应用，反应速率概念的计算，反应产物的化学式计算分析，掌握基础是关键，题目难度中等．