大学第一章

第一章化学反应的基本原理

1.某乙醇溶液的质量为196.07g，其中H

2

O为180g，求所含C

2

H

5

OH物质的量。

解：由题意可知：n(C

2

H

5

OH)=m/M=(196.07-180)/46=0.35mol

2.已知化学反应方程式：CaCO

3

(s)=CaO(s)+CO

2

(g)，求1t含95%碳酸钙的石灰

石在完全分解时最多能得到氧化钙和二氧化碳各多少千克？

解：由题意可知：

m(CaO)=(56×1000×95%)/100=532kg

m(CO

2

)=(44×1000×95%)/100=418kg

3.已知铝氧化反应方程式：4Al(s)+3O

2

(g)=2Al

2

O

3

(s)，试问：当反应过程中消耗掉

2molAl时，该反应的反应进度为多少？分别用Al，O

2

，Al

2

O

3

进行计算。

解：由题意可知：4Al(s)+3O

2

(g)=2Al

2

O

3

(s)

ξ(Al)=Δn(Al)/ν(Al)=(-2mol)/(-4)=0.5mol

ξ(O

2

)=Δn(O

2

)/ν(O

2

)=(-1.5mol)/(-3)=0.5mol

ξ(Al

2

O

3

)=Δn(Al

2

O

3

)/ν(Al

2

O

3

)=1mol/2=0.5mol

4.水分解反应方程式：H

2

O(l)=H

2

(g)+1/2O

2

(g)，反应进度ξ=3mol时,问消耗掉多

少H

2

O，生成了多少O

2

？

解：H

2

O(l)=H

2

(g)+1/2O

2

(g),ξ=3mol

Δn(H

2

O)=ξ×ν(H

2

O)=(-1)×3mol=-3mol

Δn(O

2

)=ξ×ν(H

2

O)=(1/2)×3mol=1.5mol

5.甲烷是天然气的主要成分，试利用标准生成焓的数据，计算甲烷完全燃烧时反

应的标准焓变Δ

r

H

m

θ(298.15K)。1molCH

4

完全燃烧时能释放多少热能？

解：由题意可知：

CH

4

(g)+2O

2

(g)=CO

2

(g)+2H

2

O(l)

Δ

f

H

m

θ/kJ·mol-1-74.850-393.50-241.82

Δ

r

H

m

θ(298.15K)={Δ

f

H

m

θ(CO

2

)+2Δ

f

H

m

θ(H

2

O)-Δ

f

H

m

θ(CH

4

)-2Δ

f

H

m

θ(O

2

)}

=-802.29kJ·mol-1

6.已知N

2

H

4

(l)和N

2

O

4

(g)在298.15K时的标准摩尔生成焓分别为50.63kJ·mol-1.

和9.66kJ·mol-1。计算火箭燃料联氨和氧化剂四氧化二氮反应2N

2

H

4

(l)+

N

2

O

4

(g)=3N

2

(g)+4H

2

O(l)的标准标准摩尔焓变。计算32g液态联氨完全氧化时所

放出的热量。

解：由题意可知：

2N

2

H

4

(l)+N

2

O

4

(g)=3N

2

(g)+4H

2

O(l)

Δ

f

H

m

θ/kJ·mol-150.639.660-285.83

Δ

r

H

m

θ(298K)={4Δ

f

H

m

θ(H

2

O)+3Δ

f

H

m

θ(N

2

)-2Δ

f

H

m

θ(N

2

H

4

)-Δ

f

H

m

θ(N

2

O

4

)}

=[4×(-285.83)+3×0-2×50.63-9.66]=-1254.24kJ·mol-1

Q=1/2Δ

r

H

m

θ=1/2×(-1254.24)=-627.12kJ

7.(1)S[He(l)]﹤S[He(l)]

(2)S[H

2

O(l)]﹤S[H

2

O

2

(l)]

(3)S(金刚石)﹤S(石墨)

2

与H

2

O作用生成用于焊接的乙炔气，其反应为CaC

2

(s)+2H

2

O(l)

=Ca(OH)

2

(s)+C

2

H

2

(g)，利用附录3的热力学数据计算该反应在298.15K时的标

准摩尔焓变，标准摩尔熵变，该反应的自发性是否与温度有关？

解：由题意可知

CaC

2

(s)+2H

2

O(l)=Ca(OH)

2

(s)+C

2

H

2

(g)

Δ

f

H

m

θ/kJ·mol-1-62.76-285.83-986.09266.73

S

m

θ/J·mol-1·K-170.0969.9183.39200.83

Δ

r

H

m

θ={Δ

f

H

m

θ(C

2

H

2

)+Δ

f

H

m

θ(Ca(OH)

2

)-2Δ

f

H

m

θ(H

2

O)-Δ

f

H

m

θ(CaC

2

)}

=(-986.09+226.73)-[2×(-285.83)+(-62.76)]=-84.94kJ·mol-1

Δ

r

S

m

θ={S

m

θ(C

2

H

2

)+S

m

θCa(OH)

2

)-2S

m

θ(H

2

O)-S

m

θ(CaC

2

)}

=200.83+83.39-2×69.91-70.09=74.3J·mol-1·K-1

由于Δ

r

H

m

θ<0，Δ

r

S

m

θ>0，且Δ

r

G

m

θ=Δ

r

H

m

θ-TΔ

r

S

m

θ，所以该反应的

自发性与温度无关。

9.用两种方法计算反应Cu(s)+H

2

O(g)=CuO(s)+H

2

(g)在25℃的标准摩尔吉布斯

函数变。如果p(H

2

O)︰p(H

2

)=2︰1，判断该反应能否自发进行。

解：由题意可知：

Cu(s)+H

2

O(g)=CuO(s)+H

2

(g)

Δ

f

H

m

θ/kJ·mol-10-241.82-157.30

S

m

θ/J·mol-1·K-133.15188.7242.63130.574

Δ

f

G

m

θ/kJ·mol-10-228.59-129.70

方法Ⅰ：Δ

r

G

m

θ={Δ

f

G

m

θ(CuO)+Δ

f

G

m

θ(H

2

)-Δ

f

G

m

θ(H

2

O)-Δ

f

G

m

θ(Cu)}

=-129.7+0-(-228.59)-0=98.89kJ·mol-1

方法Ⅱ：Δ

r

H

m

θ={Δ

f

H

m

θ(CuO)+Δ

f

H

m

θ(H

2

)-Δ

f

H

m

θ(H

2

O)-Δ

f

H

m

θ(Cu)}

=84.52kJ·mol-1

Δ

r

S

m

θ={S

m

θ(CuO)+S

m

θ(H

2

)-S

m

θ(H

2

O)-S

m

θ(Cu)}

=-48.666J·mol-1·K-1

Δ

r

G

m

θ=Δ

r

H

m

θ-TΔ

r

S

m

θ

=84.52-(-48.666)×298.15×10-3=99.03kJ·mol-1

当p(H

2

O)：p(H

2

)=2：1时，

Δ

r

G

m

=Δ

r

G

m

θ+RT㏑Q

p

′=98.89+8.314×298.15lnp(H

2

)/p(H

2

O)

=97.17kJ·mol-1

10.近似计算下列反应在1800K时的Δ

r

G

m

θ，即TiO

2

(金红石，s)+C(石墨)=Ti(s)+

CO

2

(g)当反应处在p(CO

2

)=80kPa的气氛中时，能否自发进行？

解：(1)由题意可知：

TiO

2

(金红石，s)+C(石墨)=Ti(s)+CO

2

(g)

Δ

f

H

m

θ/kJ·mol-1-994.700-393.50

S

m

θ/J·mol-1·K-150.335.74030.66213.64

Δ

r

H

m

θ(298.15K)={Δ

f

H

m

θ(CO

2

)+Δ

f

H

m

θ(Ti)-Δ

f

H

m

θ(TiO

2

)-Δ

f

H

m

θ(C)}

=551.20kJ·mol-1

Δ

r

S

m

θ(298.15K)={S

m

θ(CO

2

)+S

m

θ(Ti)-S

m

θ(TiO

2

)-S

m

θ(C)}

=188.2J·mol-1·K-1

Δ

r

G

m

θ(1800K)=Δ

r

H

m

θ(298.15K)-TΔ

r

S

m

θ(298.15K)=212.44kJ·mol-1

(2)Δ

r

G

m

=Δ

r

G

m

θ(1800K)+RT㏑Q

p

′=209.10kJ·mol-1

所以，反应不能自发进行。

12.利用热力学数据，计算下列反应在298.15K时的Kθ值。

(1)CH

4

(g)+2H

2

O(g)=CO

2

(g)+4H

2

(g)；(2)2NO(g)+2CO(g)=N

2

(g)+2CO

2

(g)

解：(1)由题意可知：

CH

4

(g)+2H

2

O(g)=CO

2

(g)+4H

2

(g)

Δ

f

G

m

θ/kJ·mol-1-50.6-228.59-394.360

Δ

r

G

m

θ={Δ

f

G

m

θ(CO

2

)+4Δ

f

G

m

θ(H

2

)-2Δ

f

G

m

θ(H

2

O)-Δ

f

G

m

θ(CH

4

)}

=-393.46-(-50.6)-2×(-228.59)=113.42kJ·mol-1

∵ΔrGmθ=-RTlnKθ

∴Kθ=1.3×10-20

(2)由题意可知：

SiO

2

(s)+2C(s)=Si(s)+2CO(g)

Δ

f

G

m

θ/kJ·mol-1-856.6700-137.15

Δ

r

G

m

θ={2Δ

f

G

m

θ(CO)+Δ

f

G

m

θ(Si)-2Δ

f

G

m

θ(C)-Δ

f

G

m

θ(SiO

2

)}

=-582.37kJ·mol-1

∵ΔrGmθ=-RTlnKθ

∴Kθ=e234.94

13.已知反应N

2

(g)+O

2

(g)=2NO(g)在500K时的Kθ=8.90×1027，p(N

2

)=8.0kPa，

p(O

2

)=2.0kPa，p(NO)=1.0kPa。通过计算说明反应的自发进行的方向如何？

解：由题意可知，

0625.0

]100/0.2[]100/0.8[

]100/1[

]/)(][/)([

][p(NO)/p

Qp'

2

22

2











pOppNp

所以，反应向正反应方向进行。

14.已知973K时下列反应的标准平衡常数Kθ：

(1)SO

2

(g)+O

2

(g)=SO

3

(g)20

1

K；(2)NO

2

(g)=NO(g)+O

2

(g)012.0

2

K；

求反应SO

2

(g)+NO

2

(g)=SO

3

(g)+NO(g)的Kθ。

解：由题意可知，24.0012.020

21

KKK

15.反应CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)在973K，1073K，1173K，1273K时的

平衡常数分别为0.618，0.905，1.29，1.66，试问此反应是吸热反应还是放热反

应？

解：ln(K

2

/K

1

)=(ΔH/R)[(T

2

-T

1

)/T

2

·T

1

]

ln(0.905/0.618)=(ΔH/8.314)[(1073-993)/(1073×993)

ΔH=33.1kJ·mol-1﹥0，所以是吸热反应。

16.某温度时8.0molSO

2

和4.0molO

2

在密闭容器中进行反应生成SO

3

气体，测得

起始时和平衡时(温度不变)系统的总压力分别为300kPa和220kPa，试求该温度

时反应2SO

2

(g)+O

2

(g)=2SO

3

(g)的平衡常数和的转化率。

解：方法Ⅰ：设平衡时的分压为x，则

2SO

2

(g)+O

2

(g)=2SO

3

(g)

起始时300×(8/12)=200100

平衡时200-x100-x/2x

200-x+100-x/2+x=220x=160kPa

所以，Kθ=(160/100)/[(20/100)(40/100)2]=80

α=(160/200)×100%=80%

方法Ⅱ：设反应中消耗的O2的物质的量为xmol，则

2SO

2

(g)+O

2

(g)=2SO

3

(g)

起始时8.04.00

平衡时8.0-2x4.0-x2x

由道尔顿分压定律知，300/8.0+4.0=220/8.0-2x+4.0-x+2xx=3.2mol

p(SO

2

)=40kPa，p(O

2

)=20kPa，p(SO

3

)=160kPa

所以，α=(2x/8.0)×100%=80%

Kθ=80

17.已知下列反应Ag

2

S(s)+H

2

(g)=2Ag(s)+H

2

S(g)在740K时的Kθ=0.36.若在该温

度下，在密闭容器中将1.0molAg

2

S还原为Ag，试计算最少需要H

2

的物质的量。

解：设需H

2

的物质的量为xmol

Ag

2

S(s)+H

2

(g)=2Ag(s)+H

2

S(g)

平衡时x-1.01.0

Kθ={[（1/x）P]/100}/{[(x-1)/x]p}/100=0.36

x=3.78mol

18.根据实验，下列反应为元反应2NO(g)+Cl

2

(g)=2NOCl(g)

(1)写出反应速率方程式。

(2)反应的总级数是多少？

(3)其他条件不变，如果将容器的体积增加到原来的1倍，反应速率如何变化？

(4)如果容器体积不变而将NO的浓度增加到原来的3倍，反应速率将怎样变化？

解：2NO(g)+Cl

2

(g)=2NOCl(g)

(1)v=k[c(NO)]2c(Cl

2

)(2)3

(3)1/8(4)9-1=8提高8倍

19．根据实验结果，在高温时焦炭中碳与二氧化碳的反应为C(s)+CO

2

(g)=2CO(g)

其活化能为167.36kJ·mol-1。计算温度由900K升高到1000K时，反应的速率增

大多少倍？

解：由题意可知，ln(v

2

/v

1

)=ln(k

2

/k

1

)=(Ea/R)[(T

2

-T

1

)/T

2

·T

1

]

=(167360/8.314)[(1000-900)/1000×900]=2.24

v

2

/v

1

=9.36

20.是非题

—+—+—

21.选择题

(1)D(2)BC(3)AD(4)B