《2025年天利38套五年真题高考试题分类化学》

2.【模块融合】(2024·辽吉黑卷,13分)为实现氯资源循环利用,工业上采用${RuO_{2}}$催化氧化法处理${HCl}$废气:
${2HCl(g) + \dfrac{1}{2}O_{2}(g)⇌ Cl_{2}(g) + H_{2}O(g)}$ $\Delta H_{1} = -57.2\ kJ/mol$ $\Delta S$ $K$
将${HCl}$和${O_{2}}$分别以不同起始流速通入反应器中,在$360\ ^{\circ}C$、$400\ ^{\circ}C$和$440\ ^{\circ}C$下反应,通过检测流出气成分绘制${HCl}$转化率($\alpha$)曲线,如图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。

回答下列问题:
(1)$\Delta S$$＜$(填“$＞$”或“$＜$”)0;$T_{3} =$360$^{\circ}C$。
(2)结合以下信息,可知${H_{2}}$的燃烧热$\Delta H =$-285.8$kJ/mol$。
${H_{2}O(l)\xlongequal{}H_{2}O(g)}$ $\Delta H_{2}=+44.0\ kJ/mol$
${H_{2}(g) + Cl_{2}(g)\xlongequal{}2HCl(g)}$ $\Delta H_{3} = -184.6\ kJ/mol$
(3)下列措施可提高$M$点${HCl}$转化率的是BD(填标号)。
A. 增大${HCl}$的流速
B. 将温度升高$40\ ^{\circ}C$
C. 增大$n({HCl}):n({O_{2}})$
D. 使用更高效的催化剂
(4)图中较高流速时,$\alpha (T_{3})$小于$\alpha (T_{2})$和$\alpha (T_{1})$,原因是较高流速下反应未达到平衡状态，HCl的转化率与反应速率相关，$T_{3}$温度较低，反应速率较慢，$\alpha(T_{3})$小于$\alpha(T_{2})$和$\alpha(T_{1})$。
(5)设$N$点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数$K =$6(用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
(6)负载在${TiO_{2}}$上的${RuO_{2}}$催化活性高,稳定性强。${TiO_{2}}$和${RuO_{2}}$的晶体结构均可用图3表示,二者晶胞体积近似相等,${RuO_{2}}$与${TiO_{2}}$的密度比为$1.66$,则${Ru}$的相对原子质量为101(精确至1)。

答案： 2.(13分)
(1)$＜ 360$
(2)-285.8
(3)BD
(4)较高流速下反应未达到平衡状态，HCl的转化率与反应速率相关，$T_{3}$温度较低，反应速率较慢，$\alpha(T_{3})$小于$\alpha(T_{2})$和$\alpha(T_{1})$
(5)6
(6)101
【解析】反应原理综合
(1)根据题干中方程式，反应前气体系数大于反应后气体系数，属于熵减反应，即$\Delta S＜0$；根据题意较低流速下的转化率可近似为平衡转化率，因此从图1可以看出，较低流速下，HCl转化率大小为$\alpha(T_{1})＜\alpha(T_{2})＜\alpha(T_{3})$，由于反应放热，因此升温HCl平衡转化率下降，所以$T_{3}$为低温，$T_{3}=360^{\circ}C$。
(2)根据盖斯定律，由题目给出的三个反应可得$H_{2}$燃烧的反应。①$2HCl(g)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\rightleftharpoons H_{2}O(g)+Cl_{2}(g)\ \Delta H_{1}=-57.2kJ/mol$，②$H_{2}O(l)=H_{2}O(g)\ \Delta H_{2}= + 44.0kJ/mol$，③$H_{2}(g)+Cl_{2}(g)=2HCl(g)\ \Delta H_{3}=-184.6kJ/mol$，④$H_{2}(g)+\frac{1}{2}O_{2}(g)=H_{2}O(l)\ \Delta H$，则反应④=反应③+反应①-反应②，$\Delta H=\Delta H_{3}+\Delta H_{1}-\Delta H_{2}=(-184.6 - 57.2 - 44.0)kJ/mol=-285.8kJ/mol$。
(3)M点为高流速，因此体系中反应并未达到平衡态，对应的HCl转化率为一段时间内的转化率，因此可以通过增大反应速率来提高M点HCl的转化率，B、D正确，从图1或2中均可看出增大流速，HCl转化率会下降，A错误，对比图1和图2，增大比例时，HCl的转化率下降，C错误。
(4)高流速下反应未达到平衡态，因此HCl的转化率与反应速率有关，$T_{3}$为$360^{\circ}C$，其他条件相同的情况下，温度越低，反应速率越慢，因此$\alpha(T_{3})$小于$\alpha(T_{2})$和$\alpha(T_{1})$。
(5)N点时HCl和$O_{2}$比例为4:4，HCl转化率为80%，可列式如下：
$2HCl(g)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\rightleftharpoons H_{2}O(g)+Cl_{2}(g)$
起始/mol 4 4 0 0
转化/mol 3.2 0.8 1.6 1.6
平衡/mol 0.8 3.2 1.6 1.6
$n_{总}=(0.8 + 3.2 + 1.6 + 1.6)mol = 7.2mol$，$K=$
$\frac{(\frac{1.6}{7.2}×\frac{1.6}{7.2})}{(\frac{0.8}{7.2})^{2}×(\frac{3.2}{7.2})^{\frac{1}{2}}}=6$。
(6)$\frac{\rho_{1}}{\rho_{2}}=\frac{\frac{m_{1}}{V_{1}}}{\frac{m_{2}}{V_{2}}}$，由于两种晶胞的体积近似相等，因此$\frac{\rho_{1}}{\rho_{2}}=\frac{m_{1}}{m_{2}}=1.66$，根据晶胞结构可知小球共2个，大球共4个，所以1个晶胞含有2个$TiO_{2}$或$RuO_{2}$，因此$\frac{m_{1}}{m_{2}}=\frac{2×(M_{Ru}+2M_{O})}{2×(M_{Ti}+2M_{O})}=\frac{M_{Ru}+32}{48 + 32}$，则$M_{Ru}\approx101$。