大学物理化学核心教程第二版(沈文霞)课后参考答案第章 下载本文

(1) NiO(s)?CO(g) (2) H2O(l?)Kp,1Ni(s)?CO2(g)

2CO(g)Kp,2 O(g)H?(g)2C (3) NiO(s)?H2(g)Kp,3Ni(s)?H2O(l)

( )

该反应的组分数C和平衡常数之间的关系为

(A) C?3, Kp,1?Kp,2Kp,3 (C) C?3, Kp,3?Kp,1/Kp,2

(B)C?4, Kp,3?Kp,1/Kp,2 (D)C?4, Kp,3?Kp,2/Kp,1

答:(B)。这个系统有6个物种,在三个化学平衡中只有2个是独立的,没有其他限制条件,所以组分数C?4。因为(1)?(2)?(3),方程式的加减关系,反应的Gibbs自由能也是加减关系,而平衡常数之间则是乘除关系,所以Kp,3?Kp,1/Kp,2。

14.将纯的H2O(l)放入抽空、密闭的石英容器中,不断加热容器,可以观察到哪种现象

( )

(A) 沸腾现象 (C) 升华现象

(B)三相共存现象 (D)临界现象

答:(D)。在单组分系统的相图上,是该系统自身的压力和温度,就象该实验所示。实验不是在外压下进行的,系统中也没有空气,所以不可能有沸腾现象出现。在加热过程中,水的气、液两种相态一直处于平衡状态,即H2O(l)H2O(g)。H2O(l)随着温度的升高,

的密度不断降低,而水的蒸气压不断升高,致使H2O(g)的密度变大,当H2O(l)和H2O(g)的两种相态的密度相等时,气-液界面消失,这就是临界状态。

15.Na 2CO3和水可形成三种水合盐:Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O和NaCO3·10H2O。在常压下,将Na2CO3投入冰-水混合物中达三相平衡时,若一相是冰,一相是Na2CO3水溶液,则另一相是 ( )

(A) Na2CO3 (B) Na2CO3·H2O (C) Na2CO3·7H2O (D) Na2CO3·10H2O

答:(D)。画一张草图,NaCO3·10H2O的含水量最多,一定最靠近表示纯水的坐标一边。

五.习题解析

1.将N2(g),H2(g)和NH3(g)三种气体,输入773 K,3.2?10 kPa的放有催化剂的合成塔中。指出下列三种情况系统的独立组分数(设催化剂不属于组分数)

7(1) N2(g),H2(g)和NH3(g)三种气体在输入合成塔之前。 (2) 三种气体在塔内反应达平衡时。

(3) 开始只输入NH3(g),合成塔中无其它气体,待其反应达平衡后。 解: (1) 进入合成塔之前,三种气体没有发生反应,故组分数C?3。

(2)在塔内反应达平衡时,系统的物种数S?3,但有一个化学平衡条件,故C?2。 (3)开始只输入NH3(g),NH3(g)分解达平衡,系统的物种数S?3,但有一个化学平衡条件和一个浓度限制条件,故C?1。

2.指出下列平衡系统中的物种数,组分数,相数和自由度数。 (1) CaSO4的饱和水溶液。

(2) 将5gNH3(g)通入1 dm3水中,在常温下与蒸气平衡共存。

解:(1)物种数S?2,CaSO4(s)和H2O(l)。组分数C?2,相数P?2。根据相律,

f?C?2?P?2。这两个自由度是指温度和压力,即在一定的温度和压力的范围内,能

保持固、液两相平衡不发生变化。

(2) 因为NH3(g)与水会发生相互作用,生成NH3?H2O,所以物种数S?3,

NH3(g),H2O(l)和NH3?H2O。有一个形成一水合氨的平衡,故R?1,所以C?2。有

气、液两相,P?2。根据相律,f?C?2?P?2。这两个自由度是指温度和压力,即在一定的温度和压力的范围内,能维持固、气两相平衡的状态不发生变化。

3.CaCO3(s)在高温下分解为CaO(s)和CO2(g),根据相律解释下述实验事实。 (1) 在一定压力的CO2(g)中,将CaCO3(s)加热,实验证明在加热过程中,在一定的温度范围内CaCO3(s)不会分解。

(2) 在CaCO3(s)的分解过程中,若保持CO2(g)的压力恒定,实验证明达分解平衡时,温度有定值。

解:(1) 该系统中有两个物种,CO2(g)和CaCO3(s),所以物种数S?2。在没有发生反应时,组分数C?2。现在是一个固相和一个气相两相共存,P?2。当CO2(g)的压力

有定值时,根据相律,条件自由度f?C?1?P?2?1?2?1。这个自由度就是温度,即在一定的温度范围内,可维持两相平衡共存不变,所以CaCO3(s)不会分解。

(2)该系统有三个物种,CO2(g),CaCO3(s)和CaO(s),所以物种数S?3。有一个化学平衡,R?1。没有浓度限制条件,因为产物不在同一个相,故C?2。现在有三相共存(两个固相和一个气相),P?3。若保持CO2(g)的压力恒定,条件自由度

*f*?C?1?P?2?1?3?0。也就是说,在保持CO2(g)的压力恒定时,温度不能发生变

化,即CaCO3(s)的分解温度有定值。

4.已知固体苯的蒸气压在273 K时为3.27 k Pa,293 K时为12.30 k Pa;液体苯的蒸气压在293 K时为10.02 k Pa,液体苯的摩尔气化焓为?vapHm?34.17 kJ?mol。试计算

(1) 在303 K 时液体苯的蒸气压,设摩尔气化焓在这个温度区间内是常数。 (2) 苯的摩尔升华焓。 (3) 苯的摩尔熔化焓。

解:(1) 用Clausius-Clapeyron 方程,求出液态苯在303 K时的蒸气压 ln?1?1?p(T2)?vaH1pm???? p(T1)R?T1T2?p(303K)34 170 J?mol?1?11?ln???? 10.02 kPa8.314 J?mol?1?K?1?293K303K?解得液体苯在303 K时的蒸气压

p(303K)?15.91 kPa

(2)用Clausius-Clapeyron方程,求出固体苯的摩尔升华焓 ln12.303.27?1??1???

8.314J?mol?K?1?273K293K?m?1?suHb解得固体苯的摩尔升华焓

?subHm?44.05 kJ?mol?1

(3)苯的摩尔熔化焓等于摩尔升华焓减去摩尔气化焓

?fusHm??subHm??vapHm

?(44.05?34.17) kJ?mol?1?9.88 kJ?mol?1

5.结霜后的早晨冷而干燥,在-5℃,当大气中的水蒸气分压降至266.6 Pa 时,霜会升华变为水蒸气吗? 若要使霜不升华,空气中水蒸气的分压要有多大?已知水的三相点的温度和压力分别为273.16 K和611 Pa,水的摩尔气化焓?vapHm?45.05 kJ?mol?1,冰的摩尔融

?1化焓?fusHm?6.01 kJ?mol。设相变时的摩尔焓变在这个温度区间内是常数。

解:冰的摩尔升华焓等于摩尔熔化焓与摩尔气化焓的加和,

?subHm??vapHm??fusHm

?(45.05?6.01) kJ?mol?1?51.06 kJ?mol?1

用Clausius-Clapeyron 方程,计算268.15 K(-5℃)时冰的饱和蒸气压 lnp(268.15K)511? 060?????

611 Pa8.314?273.16268.15?1解得 p(268.15K)?401.4 Pa

而268.15 K(-5℃)时,水蒸气的分压为266.6 Pa,低于霜的水蒸气分压,所以这时霜要升华。当水蒸气分压等于或大于401.4 Pa时,霜可以存在。

6.在平均海拔为4 500 m的高原上,大气压力只有57.3 kPa。已知压力与温度的关系式为 ln(p/Pa)?25.567?5 216 K。试计算在这高原上水的沸点。 T解:沸点是指水的蒸气压等于外界压力时的温度。现根据压力与温度的关系式,代入压力的数据,计算蒸气压等于57.3 kPa时的温度,

ln57 3?005216 K25.?567

T解得: T?357 K

即在海拔为4 500 m的高原上,水的沸点只有357 K,即84 ℃,这时煮水做饭都要用压力锅才行。

7.将NH3(g)加压,然后在冷凝器中用水冷却,即可得液氨,即NH3(l)。已知某地区一年中最低水温为2℃,最高水温为37℃,问若要保证该地区的氮肥厂终年都能生产液氨,则所选氨气压缩机的最低压力是多少?已知:氨的正常沸点为-33℃,蒸发焓为1 368 J?g,

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