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物理化学第五版课后习题答案解析

第五章 化学平衡5-1.在某恒定的温度和压力下,取n 0﹦1mol 的A (g )进行如下化学反应:A (g )B (g )若0B μ﹦0A μ,试证明,当反应进度﹦时,系统的吉布斯函数G 值为最小,这时A ,B 间达到化学平衡。

解: 设反应进度为变量A (g )B (g )t ﹦0 n A , 0﹦n 0 0 0﹦0t ﹦t 平 n A n B﹦BBn ν n B ﹦B,n A ﹦n 0-n B ﹦n 0-B,n ﹦n A +n B ﹦n 0气体的组成为:y A ﹦A n n ﹦00B n n νξ-﹦01n ξ-,y B ﹦B nn﹦0n ξ各气体的分压为:p A ﹦py A ﹦0(1)p n ξ-,p B ﹦py B ﹦p n ξ各气体的化学势与的关系为:0000ln ln (1)A A AA p p RT RT p p n ξμμμ=+=+- 0000lnln B B B B p p RT RT p p n ξμμμ=+=+⋅ 由 G =n AA+n BB=(n A 0A μ+n B 0B μ)+00ln(1)A p n RT p n ξ-+00ln B p n RT p n ξ⋅ =[n 0-A μ+0B μ]+n 00lnpRT p +00()ln(1)n RT n ξξ--+0ln RT n ξξ 因为 0B μ﹦0A μ,则G =n 0(0A μ+0lnpRT p)+00()ln(1)n RT n ξξ--+0ln RT n ξξ ,0()ln T p G RT n ξξξ∂=∂- 20,20()()T p n RT Gn ξξξ∂=-∂-<0 令 ,()0T p Gξ∂=∂011n ξξξξ==-- ﹦ 此时系统的G 值最小。

5-2.已知四氧化二氮的分解反应 N 2O 4 (g ) 2 NO 2(g )在 K 时,0r m G ∆=·mol -1。

试判断在此温度及下列条件下,反应进行的方向。

(1) N 2O 4(100 kPa ),NO 2(1000 kPa ); (2)N 2O 4(1000 kPa ),NO 2(100 kPa ); (3)N 2O 4(300 kPa ),NO 2(200 kPa ); 解:由J p 进行判断K =exp (-0r m G RT ∆)=exp (-47500298.15R ⨯)= J p =22420NO N O p p p (1) J p =21000100100⨯=100 J p >0K 反应向左进行。

或Δr G m = kJ ·mol -1(2) J p =21001000100⨯= J p <0K 反应向右进行。

或Δr G m =- kJ ·mol -1(3) J p =2200300100⨯= J p >0K 反应向左进行。

或Δr G m = kJ ·mol -15-3.一定条件下,Ag 与H 2S 可能发生下列反应: 2Ag (s ) +H 2S (g )Ag 2S (s ) +H 2(g )25℃,100 kPa 下,将Ag 置于体积比为10∶1的H 2(g )与H 2S (g )混合气体中。

(1) Ag 是否会发生腐蚀而生成Ag 2S(2) 混合气体中H 2S 气体的体积分数为多少时,Ag 不会腐蚀生成Ag 2S 已知25℃时,H 2S (g )和Ag 2S (s )的标准生成吉布斯函数分别为- kJ ·mol -1和- kJ ·mol -1。

解:设反应体系中气相为理想气体,则 Δr G m =0r m G ∆+RTln22H H Sp p(1) Δr G m =(-++R ××103×l n 10=-+=-·mol -1Δr G m <0,Ag 会发生腐蚀而生成Ag 2S 。

(2) 当Δr G m >0时,Ag 不会发生腐蚀而生成Ag 2S ,因此ln221H S H S y y ->(-0r m G RT ∆)=6700298.15R ⨯= 221H S H Sy y ->2H S y <5-4.已知同一温度,两反应方程及其标准平衡常数如下:CH 4 (g )+CO 2 (g )2CO (g )+2H 2(g ) 01K CH 4 (g )+H 2O (g )CO (g )+3H 2(g ) 02K求下列反应的0K : CH 4 (g )+2H 2O (g )CO 2(g )+4H 2(g )解: (2) ×2-(1) =(3) 0K =020121()()K K -⋅5-5.在一个抽空的恒容容器中引入氯和二氧化硫,若它们之间没有发生反应,则在 K 时的分压分别为 kPa 和 kPa 。

将容器保持在 K ,经一定时间后,总压力减少至 kPa ,且维持不变。

求下列反应的0K 。

SO 2Cl 2(g ) SO 2(g ) +Cl 2(g )解:反应各组分物料衡算如下SO 2Cl 2(g ) SO 2(g ) + Cl 2(g )0 p 0(SO 2) p 0(Cl 2)p x p 0(SO 2)-p x p 0(Cl 2) -p xp = p 0(SO 2)+p 0(Cl 2) -p x = p x =+-= kPap (Cl 2)=-= kPa p (SO 2) =-= kPa 0K =22220SO Cl SO Cl p p p p =41.3138.266.526100⨯⨯=5-6.900℃,3×106Pa 下,使一定量摩尔比为3∶1的氢、氮混合气体通过铁催化剂来合成氨。

反应达到平衡时,测得混合气体的体积相当于 K , kPa 的干燥气体(不含水蒸气),其中氨气所占的体积分数为×10-3。

求此温度下反应的0K 。

解: 22331N N NH y y y ++= 32311 2.0561044NH N y y ---⨯=== 2H y =0K =0()B B B B Bp y p νν∑∏=3222203()NH H N y p p y y -⋅=2623100 2.05610()30000.74850.2495-⨯⨯⨯=×10-85-7.PCl 5分解反应 PCl 5(g )PCl 3 (g ) +Cl 2(g )在200 ℃时的0K =,计算:(1)200℃,200 kPa 下PCl 5的解离度。

(2)摩尔比为1:5的PCl 5与Cl 2的混合物,在200℃, kPa 下,求达到化学平衡时PCl 5的解离度。

解:(1)设200℃,200 kPa 下五氯化磷的解离度为α,则PCl 5(g ) PCl 3 (g ) +Cl 2(g )1-α α α n ∑=1+αK =0()BB BB BBp n p n νν∑∏∑=222001001αα⋅-= 221αα-= 21α= α= 或 0K =2021p p αα⋅- α=000K pK p +=0.3120.3122+=(2)设混合物的物质的量为n ,五氯化磷的解离度为α',则平衡时PCl 5(g ) PCl 3 (g ) +Cl 2(g )1-α' α' 5+α' n ∑=6+α'0K =0()BBB B BBp n p n νν∑∏∑=101.325(5)100(1)(6)αααα'+⋅''-+= α'2+α'-=0α'=26.5395 6.53954 1.3079 1.84742 1.3079-++⨯⨯⨯= 6.53957.24092 1.3079-+⨯=5-8.在994K ,使纯氢气慢慢地通过过量的CoO (s ),则氧化物部分地被还原为Co (s )。

出来的平衡气体中氢的体积分数(H 2)=。

在同一温度,若用CO 还原CoO (s ),平衡后气体中一氧化碳的体积分数(CO )=。

求等物质的量的CO 和H 2O (g )的混合物,在994K 下通过适当催化剂进行反应,其平衡转化率为多少 解:(1) CoO (s )+H 2(g ) Co (s )+H 2O (g ) 01K =0()B B BB Bp y p νν∑∏=10.0250.025-=39(2) CoO (s )+CO (g )Co (s )+CO 2(g )02K =0()B B BB Bp y p νν∑∏=10.01920.0192-= (3) CO (g )+H 2O (g )CO 2(g )+H 2(g ) 03K =0201K K =51.0839=03K =22(1)αα-= α=5-9在真空的容器中放入固态的NH 4HS ,于25℃下分解为NH 3(g )与H 2S (g ),平衡时容器内的压力为 kPa 。

(1) 当放入NH 4HS 时容器内已有 kPa 的H 2S (g ),求平衡时容器中的压力。

(2) 容器内原有 kPa 的NH 3(g ),问需加多大压力的H 2S ,才能形成NH 4HS 固体 解:反应的化学计量式如下 NH 4HS (s )NH 3(g ) +H 2S (g )p p p =66.662= kPa 由题给条件,25 °C 下 0K =(0p p )2=(33.33100)2= (1) NH 4HS (s )NH 3(g ) +H 2S (g )2H S p +2H S p0K =2202(39.99)H S H S p p p ⋅+= 22H Sp +2H S p -1111=0 2H S p = kPa p =22H S p += kPa(2) NH 3(g )+H 2S (g )NH 4HS (s )当 J p =2026.666H S p p ⋅<10.1111能形成NH 4HS 固体2H S p >11116.666= kPa 5-10.25℃,200 kPa 下,将4 mol 的纯A (g )放入带活塞的密闭容器中,达到如下化学平衡A (g ) 2B (g )。

已知平衡时,n A ﹦,n B ﹦。

(1) 求该温度下反应的0K 和0r m G ∆;(2) 若总压为50 kPa ,求平衡时A ,B 的物质的量。

解:(1) 0K =20BB A Bn pp n n ⋅∑=2200 4.606100(4.606 1.697) 1.697⨯⨯+⨯= 0r m G ∆﹦-R ××﹦- kJ ·mol -1(2) A (g ) 2B (g )n 0-x 2x n ∑=n 0+xK =20BB A Bn pp n n ⋅∑=2504100(4)(4)x x x ⨯⨯+-= xmol n A = mol n B = mol 5-11.已知下列数据:求 K 下CO (NH 2)2(s )的标准摩尔生成吉布斯函数0f m G ∆,以及下列反应的0K 。

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