第13章 习题提示和答案

第十三章化学热力学基础119图13-1第十三章化学热力学基础131已知反应21COCO2在298K的定压热效应为110603J/mol，求同温度下的定容热效应。提示和答案：利用定压热效应与定容热效应与反应前后物质的量变化的关系111841.9JVpQQRTn。132已知定温（298K）定压（101325Pa）下，221COOCO283190J/mol2QQ222(g)1HOHO241997J/mol2QQ试确定下列反应的热效应2(g)22HOCOHCOQ提示和答案：据赫斯定律31241193J/molQQQ。133在煤气发生炉的还原反应层中二氧化碳的还原反应为24COC2COQ据2211COCO393791J/molQQ，；22331COOCO283190J/mol2QQ，参见图13-1利用赫斯定律，求反应热效应。提示和答案：4122172589J/molQQQ。134在298K、1atm下反应221COOCO2的定压热效应为PQ=283190J/mol，试求在2000K和1标准大气压下，这一反应的定压热效应。提示和答案：应用基尔希霍夫定律000m,m,m,m,prRe()()TkkkkkkQHnHHnHH其中，220000f,COf,COf,O12HHHH，据标准生成焓数据表，得20f,CO393552J/molH，0f,CO110527J/molH，20f,O0H，故0283025JH。查气体热力性质表，20mmCO(91447.2J/mol)HH，0mCO()56742.9J/molmHH，20mmO()59174.5J/molHH，第十三章化学热力学基础120所以，277908.0JTQ。135利用下述方法计算水蒸气在3.5MPa，300℃时的焓（相对于0.1MPa，25℃）。（1）假定水蒸气为理想气体，其比定压热容为23,01.790.1070.5860.20pc，其中/1000T（T为算术平均温差）（2）假定水蒸气为理想气体，利用气体热力性质表；（3）利用通用余焓图。提示和答案：工质在状态（p,T）的焓是标准生成焓和从标准状态到指定状态的焓差之和，即00mf,()pTHHHH，因此上述各种途径的差异仅在于0,()pTHH的不同。查标准生成焓表，水的0f,(g)241826J/molH。（1）假定水蒸气为理想气体，取12435.65K2TTT，0.43565K1000T，,01.9313kJ/(kgK)pc，0,,09571J/molpTpHHMcT，00mf,()232255J/molpTHHHH；（2）从气体热力性质表，查得，298.15KT，m9904.0J/(molK)H；573.15KT，m19445.8J/(molK)H。00mf,()232284J/molpTHHHH；（3）据余焓概念000mm1mm2mf,fcrm,2m,1crcr()()()()pTHHHHHHHHHRTHHRTRT，因0.1MPa，25℃即为标准状态，所以mm1()0HH，m,2m,1HH即上述（2）的0,pTHH：m,2m,19541.8J/molHH，cr3.5MPa0.15822.1MParppp，cr573.15K0.886647.3KrTTT，从通用余焓图查得mm2cr()/0.24HHRT，所以，mm2cr()0.241291.7J/molHHRT，0mm2mfm,2m,1cr()()233576J/molHHHHHHRT。136甲烷稳态稳流在燃烧室内燃烧，反应式如下4222CH2OCO2HO()l若反应物和产物均为0.1MPa、25℃，确定进入燃烧室的甲烷在燃烧过程中的放热量。提示和答案：取燃烧室为控制体积，反应在标准状态下进行第十三章化学热力学基础12122(l)42000000f,COf,HOf,CHf,O2(2)pQHHHHH氧的标准生成焓为零，查得有关物质的标准生成焓：20f,CO393522J/molH；2(l)0f,HO285830J/molH；40f,CH74873J/molH，代入上式，得0890309J/molpQ。13-7利用标准生成焓数据，试求下列反应的标准燃烧焓（即标准热效应）。反应式中的脚标l和g分别指液态和气态。818()222(g)CH12.5O8CO9HOl提示和答案：将从标准生成焓数据表查得818()CHl等物质的标准生成焓20f,CO393522J/molH、2(g)0f,HO241826J/molH、818(l)0f,CH250105J/molH，代入000f,Prf,Re()()pkkjjkjQnHnH，即得05074505J/mol(44423kJ/kg)pQ。本题结果就是燃烧产物中的2HO为气态时818()CHl的标准燃烧焓20C,HO(g)H，请读者自行核查。13-8已知在1标准大气压、25℃时有下述反应：2mol(285830J/mol)2222H+O2HO()l求1atm、120℃下生成2mol的H2O的热效应。计算时取比热容为定值。提示和答案：根据基尔霍夫定律0RePrHHHH，其中：022Re,m,H,m,O(2)dTppTHCCT；s2220sPr,m,HO()HO,m,HO(g)2d22dTTplpTTHCTCT。从相关数据表得摩尔热容，则Re8270.7JH；标准大气压下H2O的s373KT、2HO40662.1J/mol，Pr93973.8JH，0571660JH。0ReRr48556.9J9HHHH。1391mol气态乙烯和3mol氧的混合物在25℃下刚性容器内反应，试确定产物冷却到600K时系统放热量。提示和答案：乙烯和氧的化学反应式为24222CH3O2CO2HO(g)，由于容器刚性，0W，据热力学第一定律PrReQUU。从标准生成焓数据表查得：20fHO(g)241826J/molH，20fCO393522J/molH，240fCHO52467J/molH；据气体热力性质表，298K到600K，2m,CO12907J/molH，2m,HO10501J/molH。考虑到反应温度为标准状态的温度（25℃）及氧的标准生成焓为零，故第十三章化学热力学基础122图13-22200PrfmfmHOCO()()1243835JUnHHRTnHHRT24200RefmfmCHO()()42551JUnHHRTnHHRTRePr1286386JQUU。13−10计算气态丙烷500K时的燃烧焓。燃烧过程中形成的水为气态，298K到500K间丙烷的平均比定压热容为2.1kJ/(kgK)。提示和答案：丙烷燃烧方程38(g)222(g)CH5O3CO4HO22223822380000CCOfm,500mHOfm,500mCOHO000Cfm,500mOm,500mOCH()()()()HHnHHHnHHHnHHHnHH从标准生成焓数据表得，380fCH103900J/molH，20fCO393522J/molH，2(g)0fHO241826J/molH；查气体热力性质表，从298K到500K相关物质的焓差：20m,500mCO()8304.9J/molHH，20m,500mHO()6926.2J/molHH，20m,500mO()6084.3J/molHH。380m,500mCH,m()19615.0J/molpHHCT，C2041387J/molH。注意，水为气态。1311试确定初温为400K的甲烷气体，过量空气系数为2.5在1atm下定压完全燃烧时的绝热理论燃烧温度。提示和答案：过量空气系数为2.50时，甲烷的燃烧反应方程式42222()22CH5O53.76NCO+2HO3O+18.8Ng。参见图13-2，01()()adbaHHHHH，式中，0H为甲烷的摩尔燃烧焓，查燃烧焓数据表，得0c50010kJ/kgH，故00c802310.4J/molHMH；bH为生成物在298.15K时的焓，由热力性质表，2m,CO964.0J/molH、2m,HO9904.0J/molH，2m,O8683.0J/molH，2m,N8670.0J/molH，4m,CH,298.15K11640.4J/molH；400K时2m,O,400K11708.9J/molH，2m,N,400K11640.4J/molH，4m,CH,400K13888.9J/molH。bm,pr218217JkkHnH。第十三章化学热力学基础1231aHH为反应物系298.15K和400K间的焓差，4422221CHmCHOmONmN()()()74838.7JaHHnHnHnH。adH为绝热燃烧产物焓，01()1095366.1JadabHHHHH，由于燃烧产物焓又可表示为22ad2222ad22adCOm,CO,HOm,HO,Om,O,Nm,N,adadTTTTHnHnHnHnH，而2m,COH等与Tad有关，故需采用试算法，可解得ad1405KT。1312用三分氢气和一分氮气组成的混合气生产氨，在400℃、10标准大气压下化学平衡时产生3.85％的氨（体积百分比）。求：（1）反应2233HN2NH在400℃时的平衡常数Kp；（2）相同温度下要得到5％氨时的反应总压力；（3）在400℃、压力为50标准大气压下达到化学平衡时求氨的体积比（认为Kp不随压力而变）。提示和答案：对反应2233H+N2NH，则每mol3NH中需32molH2和12molN2。（1）若设平衡时3NH物质的量为n，则H2为n233，N2为n211。反应式应为22223313HN3H1NNH22nnn平衡时总物质的量的数nnnnN4211233。据题意3NH的体积比为3.85%，按理想气体性质即为摩尔分数，所以3NH0.03854nxn，即n=0.1483；N=3.8517。于是2H0.7211x，2N0.2404x；33NHNH0.385pxpp，22HH0.7211pxpp，22NN0.2404pxpp；3222NH43H1.66410pNpKpp。（2）由（1）若3NH的体积比为5%，则据0.054nn可得n=0.190，N=3.810。此时2H0.7127x，2N0.2373x，2H2.715n，2N0.905n；3222231NH31HNpnpKnnn，解得13.27atmp。（3）将50atmp、41.66410pK代入333322NH31NHNHNH4313122pnpKnnn，解得3NH0.5228n，氨的体积比即为其第十三章化学热力学基础124体积分数，等于摩尔分数333NHNHNH.15044nxn。13131molCO和4.76mol的空气反应，在1标准大气压、3000K下达到化学平衡。试求平衡时各种