第五章-多相平衡答案

第5章化学平衡答案5.1指出下列平衡系统中的组分数C，相数P及自由度F。（1）I2(s)与其蒸气成平衡；（2）CaCO3(s)与其分解产物CaO(s)和CO2(g)成平衡；（3）NH4HS(s)放入一抽空的容器中，并与其分解产物NH3(g)和H2S(g)成平衡；（4）取任意量的NH3(g)和H2S(g)与NH4HS(s)成平衡;（5）I2作为溶质在两不互溶液体H2O和CCl4中达到分配平衡（凝聚系统）。解：（1）C=1,P=2,F=1.（2）C==2,P=3,F==1.（3）C==1,P=2,F=1.（4）C=2,P=2,F==2.（5）C=3,P=2,F=2.5.2试指出下述系统的自由度数、如f≠0,则指出变量是什么？（1）在标准压力下，水与水蒸气平衡（2）水与水蒸气平衡（3）在标准压力下，I2在水中和CCl4中分配已达平衡，无I2(S)存在（4）NH3、H2、N2三种气体已达平衡解：（1）f＝0体系为无变量体系（2）f=1体系为单变量体系，变量是温度或压力中的任一个（3）f=2体系为双组分变量，变量为温度和I2在水或CCl4中的任一个浓度。（4）f=3体系为多变量体系，变量为温度、压力和某种物质浓度。5.3今把一批装有注射液的安培放入高压消毒锅内加热消毒，若用151.99kPa的水蒸气进行加热，问锅内的温度有多少度？（已知ΔvapHm=40.67kJ/mol）解：122211()4067011()8.314373.15385112vapmOHRTTTTKC∆=−=−=≈21根据克－克方程：plnp151.99ln101.3255.4已知CO2的临界温度为31.1℃，临界压力为7.4×106Pa，三相点为-56.6℃、5.18×105Pa。试画出CO2相图的示意图，并说明：（1）在室温及常温下，若迅速地将贮有气液共存的CO2钢瓶阀门打开，放出来的CO2可能处于什么状态？（2）若缓慢地把阀门打开，放出来的CO2处于什么状态？（3）指出CO2相图与H2O的相图的最大的差别在哪里？解：相图如下，O为三相点。题5.4附图（1）钢瓶中的CO2（298K，6.4×106Pa），为OC线上的D点，即气液共存。迅速打开阀门，压力骤减至1×105Pa,系统绝热膨胀降温，有部分CO2（g）直接转化为CO2（s），在相图上即B点（105Pa，-78℃）（实验室中制备干冰就是根据这一原理）。（2）若缓慢打开阀门，系统恒温蒸发，当CO2（g）的流量不大时，出来的应为CO2（g），系统由D点至F点。（3）CO2相图与H2O的相图最大差别是液－固平衡曲线，倾斜方向不同，水的相图中熔化曲线向左倾斜，而在CO2相图中，熔化曲线向右倾斜。这表明：冰的熔点将随压力的增加而降低，相反，固体CO2（干冰）的熔点将随压力的增加而升高。5.5银（熔点为960℃）和铜（熔点为1083℃）在779℃时形成一最低共熔混合物，其组成为含铜的摩尔分数(Cu)0.399x=。该系统有α和β两个固溶体，在不同温度时其组成如下表所示：/Ct°(Cu)()x固溶体中αβ7790.1410.9515000.0310.9902000.00350.999（1）绘制该系统的温度-组成图；（2）指出各相区的相态；（3）若有一含Cu的摩尔分数(Cu)0.20x=的溶液冷却，当冷却到时500C°，α−固溶体占总量的摩尔分数为若干？解：（1）绘制该体系的温度-组成图如图所示（2）各相区的相态如图所示；（3）500C°时，根据杠杆规则：()0.9900.200.794.67()0.200.0310.169mmαβ−===−α-固溶体占总量的摩尔分数为：82.36%。5.6已知Hg-TI二组分系统的数据如下：（1）绘制其温度-组成图（示意图）；（2）指出各相区、水平线段、交点的相数；题5.6图（3）为扩大低温测量范围，应选什么组成的Hg-Tl混合物做温度计较合适？解：（1）绘制其温度-组成图（如示意图所示）；（2）各相区、水平线段、交点的相数；（3）为扩大低温测量范围，应选什么组成的Hg-TI混合物中含TI8%、Hg92%的组成，温度略高于-60℃的液相区较合适。5.7系统中A,B两物质的物质的量各为5mol,当加热到某一温度时,系统内气、液共存的两相组成分别为yB=0.7,xB=0.2,求两相中组分A,B的物质的量各为多少?解：气相中B的物质的量:nB(g)=4.2mol气相中A的物质的量:nA(g)=1.8mol液相中B的物质的量:nB(l)=0.8mol液相中A的物质的量:nA(l)=3.2mol5.8两个挥发性液体A和B构成一理想溶液，在某温度时溶液的蒸汽压为54.1kPa，在气相中A的摩尔分数为0.45，液相中为0.65，求此温度下纯A和纯B的蒸汽压。解：****0.4554.137.450.65(10.45)54.185.0110.65AAAAAAABBBBBBBypppxyppkPaxypppxyppkPax×==⇒−×==⇒−总总总总根据道尔顿分压定律和拉乌尔定律：＝＝＝＝＝＝5.9由甲苯和苯组成的某一溶液含30％（W/W）的甲苯，在303K时纯甲苯和纯苯的蒸汽压分别为4.89和15.76kPa，设该溶液为理想溶液，问303K时溶液的总蒸汽压和分压各为若干？解：0.3920.2670.30.792784.870.2671.30.73311.5512.85xxxkPaxkPapkPa××甲苯苯*甲苯甲苯甲苯*苯苯苯总甲苯苯＝＝，＝1-0.267＝0.733＋p＝p＝＝p＝p＝15.76＝＝p＋p＝5.10液体A与B形成非理想溶液，在一定温度下，蒸气总压与溶液组成的关系如下图：(1)粗略画出pA～xB、pB～xB线；(2)粗略画出T～xB和T～yB线(沸点～组成线)。解：pA～xB、pB～xB线如下图（a）所示，温度～组成图如下图（b）所示，并且图中出现一最低点（对应于温度-组成图中的最高点），具有该点组成的混合物称恒沸混合物，对应的温度称最高恒沸点。题5.10图5.11水和乙酸乙酯是部分互溶的，设在310.7K时，两相互呈平衡，其中一相含有6.75％酯，而另一相含水3.79％（都是重量百分比浓度）。设拉乌尔定律适用于各相的溶剂，在此温度时纯乙酸乙酯的蒸汽压是22.13kPa，纯水的蒸汽压是6.40kPa。试计算：（1）酯的分压；（2）水蒸气分压；（3）总蒸汽压。解：*13.79180.16110.1610.8393.7996.2188822.130.83918.56xxppxkPa−×酯水酯酯酯（）酯相：＝＝，＝＝＋＝＝＝*(2)6.75880.014610.01460.985493.25186.40.98546.31xxppxkPa−×酯水水水水水相：＝＝，＝＝6.75＋88＝＝＝(3)18.566.3124.87pppkPa+总酯水＝＋＝＝5.12已知A、B两组分系统在101325Pa下的相图(T-x)如下图所示：（1）标出各区(1∼6)的相态，水平线EF、GDH及垂线CD上的系统自由度是多少？（2）画出从a、b点冷却的步冷曲线（按图B的方式画图）。题5.12附图解：（1）各区的相态见下表相区相态相区相态(1)l(A+B)(4)s(B)+l(A+B)(2)s(A)+l(A+B)(5)s(A)+s(C)(3)s(C)+l(A+B)(6)s(C)+s(B)水平线EF、GDH系统的自由度数为0，垂线CD上的自由度数为1。（2）绘制的步冷曲线如下图所示:5.13若在合成某有机化合物之后进行水蒸气蒸馏，混合物的沸腾温度为368K。实验时的大气压为99.20kPa,368K时水的饱和蒸汽压为84.53kPa。馏出物经分离、称重，知水的重量占45.0％。试估计此化合物的分子量。解：2222*******0.450.5584.53181859.66/0.550.4599.2084.5314.671859.661859.66127/14.67HOHOHOBBBBBBBHOBBWpMMgmolWpMpppppkPaMgmolp××==⇒===−===总－＝＝5.14根据图(a)，图(b)回答下列问题题5.14附图（1）指出图(a)中，K点所代表的系统的总组成，平衡相数及平衡相的组成；（2）将组成x(甲醇)=0.33的甲醇水溶液进行一次简单蒸馏加热到85℃停止蒸馏，问馏出液的组成及残液的组成，馏出液的组成与液相比发生了什么变化？通过这样一次简单蒸馏是否能将甲醇与水分开？（3）将(2)所得的馏出液再重新加热到78℃，问所得的馏出液的组成如何？与(2)中所得的馏出液相比发生了什么变化？（4）将(2)所得的残液再次加热到91℃，问所得的残液的组成又如何？与(2)中所得的残液相比发生了什么变化？（5）欲将甲醇水溶液完全分离，要采取什么步骤？解：（1）如图(a)所示，K点代表的总组成x(CH3OH)=0.33时，系统为气、液两相平衡,L点为平衡液相,x(CH3OH)=0.15，G点为平衡气相，y(CH3OH)=0.52；（2）由图(b)可知，馏出液组成yB,1=0.52，残液组成xB,1=0.15。经过简单蒸馏，馏出液中甲醇含量比原液高，而残液比原液低，通过一次简单蒸馏，不能使甲醇与水完全分开；（3）若将(2)所得的馏出液再重新加热到78℃，则所得馏出液组成yB,2=0.67，与(2)所得馏出液相比，甲醇含量又高了；（4）若将(2)中所得残液再加热到91℃，则所得的残液组成xB,2=0.07，与(2)中所得的残相比，甲醇含量又减少了；（5）欲将甲醇水溶液完全分离，可将原液进行多次反复蒸馏或精馏。5.15A和B两种物质的混合物在101325Pa下沸点-组成图如图，若将1molA和4molB混合，在101325Pa下先后加热到t1=200℃，t2=400℃，t3=600℃，根据沸点-组成图回答下列问题：（1）上述3个温度中，什么温度下平衡系统是两相平衡？哪两相平衡？各平衡相的组成是多少？各相的量是多少(mol)？（2）上述3个温度中，什么温度下平衡系统是单相？是什么相？题5.15附图解：(1)t2=400℃时，平衡系统是两相平衡。此时是液-气两相平衡。各平衡相的组成，如下图所示，为xB(l)=0.88,yB=0.50==n(g)+n(l)=5mol解得：n(l)=4.0mol；n(g)=1.0mol(2)t1=200℃时，处于液相；t3=600℃时，处于气相。5.16水-异丁醇系统液相部分互溶。在101.325kPa下，系统的共沸点为89.7C。气(G)、液(L1)、液(L2)三相平衡时的组成依次为：70.0%；8.7%；85.0%。今由350g水和150g异丁醇形成的系统在101.325kPa压力下由室温加热，问：（1）温度刚要达到共沸点时，系统处于相平衡时存在哪些相？其质量各为多少？（2）当温度由共沸点刚有上升趋势时，系统处于相平衡时存在哪些相？其质量各为多少？解：相图见图。（1）温度刚要达到共沸点时系统中尚无气相存在，只存在两个共轭液相。m1=360.4gm2=139.6g题5.16图（2）当温度由共沸点刚有上升趋势时，L2消失，气相和L1存，m（G）=173.7gm（L1）=363.3g)g()l(nnKLGK8.088.050.08.0−−5.17已知CaF2-CaCl2相图，欲从CaF2-CaCl2系统中得到化合物CaF2⋅CaCl2的纯粹结晶。试述应采取什么措施和步骤？题5.17附图解：必须选定溶液的组成在含CaCl2约为w(CaCl2)=0.60~0.80之间。今假定选组成为a之溶液，从a冷却下来与FD线相交，当越过FD线后便有固相CaF2⋅CaCl2析出，溶液组成沿FD线改变，待温度降到GDH（即三相点温度）线以上一点点时，将固体从溶液中分离，即可得到纯粹的CaF2⋅CaCl2结晶。5.18已知下列两反应的K值如下：FeO(s)+CO(g)==Fe(s)+CO2(g)K1Fe3O4(s)+CO(g)==FeO(s)+CO2(g)K2K1K28739730.8711.150.6781.77