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十年化学竞赛题重组卷15化学热力学和化学动力学基础


2001-2010 年十年化学赛题重组卷 15 化学热力学和化学动力学基础
【决赛要求】 1. 化学热力学基础。热力学能(内能)、焓、热容、自由能和熵的概念。生成焓、生成自由能、标准熵及有关计算。反应 .. 的自由能变化与反应的方向性。吉布斯-亥姆霍兹方程及其应用。范特霍夫等温方程及其应用。标准自由能与标准平衡常数。 . 平衡常数与温度的关系。热化学循环。热力学分解温度

(标态与非标态)。相、相律和单组分相图。克拉贝龙方程及其应用 ... (不要求微积分)。 2. 化学动力学基础。反应速率基本概念。反应级数。用实验数据推求反应级数。一级反应积分式及有关计算(速率常数、 半衰期、碳-14 法推断年代等等)。阿累尼乌斯方程及计算(活化能的概念与计算;速率常数的计算;温度对速率常数影响 的计算等)。活化能与反应热的关系。反应机理一般概念。推求速率方程。催化剂对反应影响的本质。

2004 年第 3 题(6 分) 某实验测出人类呼吸中各种气体的分压/Pa 如下表所示: 气体 N2 O2 CO2 H2O 吸入气体 79274 21328 40 667 呼出气体 75848 15463 3732 6265

1.请将各种气体的分子式填入上表。 (每空 1 分,共 4 分) 2.指出表中第一种和第二种呼出气体的分压小于吸入气体分压的主要原因。

呼出气中的 N2 的分压小于吸入气中的分压的主要原因是呼出气中的 CO2 和水蒸气有较大分压,总压 不变,因而 N2 的摩尔分数下降(1 分) ;呼出气中的 O2 的分压小于吸入气中的分压的主要原因是吸入的 O2 被人体消耗了。 分) (1 (共 2 分)

2008 年第 3 题 (4 分) 甲醛是一种重要的化工产品,可利用甲醇脱氢制备,反应式如下: CH3OH(g)
催化剂,700oC

CH2O(g) + H2(g)

? ?rH m

= 84.2 kJ mol-1

(1)

向体系中通入空气,通过以下反应提供反应(1) 所需热量:

H2(g) + ?O2(g)

H2O(g)

? ?rH m

=–241.8 kJ mol-1

(2)

要使反应温度维持在 700?C,计算进料中甲醇与空气的摩尔数之比。已知空气中氧气的体积分数为 0.20。

要使反应维持在一定温度持续进行,应保证反应(2)放出的热量恰好被反应(1) 全部利用,则: 甲醇与氧气的摩尔比为:n(CH3OH) : n (O2) = (2 ? 241.8) / 84.2 = 5.74 甲醇与空气的摩尔比为:n(CH3OH) : n (空气) = 5.74 / 5 = 1.1 答成 1.15 或 1.148 得 1.5 分。 答(写)成 1 : 0.87 也得 2 分。 考虑到实际情况,将上式的等号写成小于或小于等于,得 2 分。 算式合理,结果错误,只得 1 分。只有结果没有计算过程不得分。 (2 分) (2 分)

2005 年备用第 8 题(8 分) 熵是由德国物理学家克劳休斯于 1865 年首次提出的一个重要热力学概念。统计物理学研究表明,熵 是系统混乱度的量度。熵增加原理的数学表达式是:(ds)U,V≥0。其物理意义是:一个孤立系统的自发过 程总是朝着熵增加的方向进行,即从有序走向无序。而生命的发生、演化及成长过程都是从低级到高级、 从无序到有序的变化。这样看来把熵增加原理应用到生命科学中似乎是不可能的。 1.熵增加原理与达尔文进化论是否矛盾?说明理由。 熵增加原理适用于孤立系统,而生命系统是一个开放系统,生物进化是一个熵变过程,生物的复杂性 (种群系)与熵有关,生物进化的谱系越复杂,熵值就越大。生物的组织化(个体结构)与信息有关。谱 系复杂化的分支衍生带来更大的进化突变空间,但是由于生物遗传的制约作用,使实际产生的状态数(种 类数) 比更大可能产生的状态数少, 即实际熵比更大可能熵小。 一个进化的生物系列在合适的环境条件下, 复杂性(熵)将与组织化(信息)同时增加。因此,生物进化的必然结构是种类越来越多,结构也越来越 高级,实际熵与最大可能熵的差也越来越大。从这个角度看,熵增加原理与达尔文进化论不矛盾。 分) (4 2.初期的肿瘤患者可以治愈,而晚期癌症患者的肿瘤想要治愈是根本不可能的,用熵增加原理解释其原 因。 肿瘤发生的实质就是在某一时刻机体系统发生了变速熵增的过程,机体对肿瘤产生的抑制能力大大减 弱,肿瘤发生率在此过程会提高很多,从而导致肿瘤的发生。由于肿瘤患者的癌细胞在体内扩散,影响着

人体的熵增速率, 使机体时常处于变速熵增的不可逆过程, 即人体内肿瘤的发生一旦达到了一定的混乱度, 这种情况是不可逆的,故晚期癌症患者的肿瘤想要治愈是根本不可能的。而初期的肿瘤患者可以治愈是因 为熵增加原理不适用于质点数很小的系统。几个肿瘤细胞相对于人体这个大的系统来说,质点数很少,对 于人体还不至于构成威胁。所以对于肿瘤的研究,预防是关键。要防治肿瘤的发生,就要阻止熵增不可逆 过程的发生。 分) (4 2007 年第 7 题(8 分) KClO3 热分解是实验室制取氧气的一种方法。KClO3 在不同的条件下热分解结果如下: 实验 A B C 反应体系 KClO3 KClO3+Fe2O3 KClO3+MnO2 第一放热温度/℃ 400 360 350 △H (1)=-437 kJ· -1 mol △H (2)=-398 kJ· -1 mol △H (3)=-433 kJ· -1 mol 第二放热温度/℃ 480 390

已知⑴K(s)+1/2Cl2(g)=KCl(s) ⑵K(s)+1/2Cl2+3/2O2(g)= KClO3(s) ⑶K(s)+1/2Cl2+2O2(g)= KClO4(s) 7-1

根据以上数据,写出上述三个体系对应的分解过程的热化学方程式。 ΔHθ ΔH θ = -144 kJ/mol = -4 kJ/mol每个方程式 1 分。 方程式写

A 第一次放热:4KClO3(s) = 3 KClO4 (s)+ KCl(s) 第二次放热:KClO4 (s) = KCl(s) + 2O2(g)

错,不得分;未标或标错物态,扣 0.5分;未给出 ΔHθ或算错,扣 0.5分。第一次放热过程,在上述要求 的方程式外,还写出 2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2(g),不扣分。 B 第一次放热、第二次放热反应的热化学方程式均与 A 相同。(给出此说明,得分同 A)若写方程式, 评分标准同 A。 C 2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2(g) ΔH θ = -78 kJ/mol

方程式 2 分。方程式写错,不得分;未标或标错物态,扣 0.5 分;未给出 ΔH θ或算错,扣 0.5 分。 7-2 用写 MnO2 催化 KClO3 分解制得的氧气有轻微的刺激性气味,推测这种气体是什么,并提出确认这种

气体的实验方法。 具有轻微刺激性气味的气体可能是 Cl2。 (1分)

实验方案:(1) 将气体通入 HNO3酸化的 AgNO3溶液,有白色沉淀生成;(0.5分) (2) 使气体接触湿润的 KI-淀粉试纸,试纸变蓝色。(0.5分)

若答气体为 O3和/或 ClO2,得 1 分;给出合理的确认方案,得 1 分。

北京 2011 年第 7 题( 10 分) 光催化是新发展的一个催化技术,TiO2 是目前研究成功的应用广泛的光催化剂,它是由金红石矿(主要 成分为 TiO2)先制备为 TiCl4,再转化为纯 TiO2。 物种 ΔrΗΘm /kJ?molˉ1 SΘm/J?molˉ1?Kˉ1 请根据表中数据 (1) 计算反应:TiO2(s) + 2Cl2(g) = TiCl4(g) + O2(g) 298K 的Δ rΗ Θm 和Δ rSΘm,该反应能否正向进行? TiO2(s) + 2Cl2(g) = TiCl4(g) + O2(g) Δ rΗ Θm = 181.5 kJ/mol Δ rΗ Θm–TΔ rSΘm = –163.9/ J?molˉ1?Kˉ1 TiO2(s) –944.7 55.02 TiCl4(g) –763.2 354.9 Cl2(g) 0 223.1 O2(g) 0 205.1 C(s) 0 5.74 CO(g) –110.5 197.7

Δ rSΘm = 58.9/ J?molˉ1?Kˉ1 (3 分)

Δ rΗ Θm–TΔ rSΘm = 163.9/ J?molˉ1?Kˉ1 >>0 反应正向不能进行

(2)计算反应 2C(s) + O2(g) ? 2CO(g) 298K 的Δ rΗ Θm 和Δ rSΘm,并判据反应在 298K 进行的方向。 rΗ Θm = Δ –221 kJ/mol Δ rSΘm = 59/ J?molˉ1?Kˉ1

2C(s) + O2(g) ? 2CO(g) Δ rΗ Θm = –221 kJ/mol Δ rSΘm = 179/ J?molˉ1?Kˉ1 (3 分)

Δ rΗ Θm–TΔ rSΘm = –274/ J?molˉ1?Kˉ1 <<0 反应正向能进行

(3) 为得到纯的 TiCl4,有人设计如下方案:TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) ? TiCl4(g ) + 2CO(g)。计算该反应 298K 的Δ rΗ Θm 和Δ rSΘm,并判据反应进行的方向。 TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) ? TiCl4(g) + 2CO(g) Δ rΗ Θm = –39.5 kJ/mol Δ rSΘm = 249.7/ J?molˉ1?Kˉ1 <<0 反应正向能进行. (4 分)

Δ rΗ Θm–TΔ rSΘm = –113.9/ J?molˉ1?Kˉ1

北京 2009 年第 9 题(10 分) 通常空气中 CO 允许浓度是<5 × 10 6,最高可忍受的水平是 50 × 10 6。在甲烷燃烧器里常发生如下 反应:CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O (g) (A) (B)
- -

CH4(g) + 3/2O2(g) = CO(g) + 2H2O (g)

当燃烧器的调节不当时有引起 CO 中毒的危险。现已知下列数据(298K,PΘ下) : 物质 Δ fΗ Θm (kJ/mol) SΘm (J/mol?K) CH4 (g)
-74.9 186.2 O2 (g) 0 205.0 CO2(g) -393.6 213.6 CO(g) -110.5 197.6 H2O(g) -241.8 188.7

并已知下列有关公式:Δ rGΘm=Δ rΗ Θm -TΔ r SΘm; 请求算并解答下列问题:

Δ rGΘm= -RTlnKΘ

(1) 假设Δ fΗ Θm、 Θm 的数值均不随温度发生变化, S 试计算 T=1500K 下反应的 (A) 、 (B) 的Δ rGΘm(A) 、 Δ rGΘm(B) 对 A 反应 Δ rΗ Θm(A) =Δ fΗ Θm(CO2,g) + 2Δ rΗ Θm(H2O,g)–Δ fΗ Θm(CH4,g) = -802.2(kJ/mol) Δ rSΘm(A) = SΘm (CO2,g) + 2 SΘm (H2O,g) – SΘm (CH4,g) –2 SΘm (O2,g) = -5.2(J/mol?K) Δ rGΘm(A)=Δ rΗ Θm(A)-TΔ r SΘm(A) = -802.2 × 1000 – 1500 × (-5.2) = -794500(J/mol) 同理对 B 反应 Δ rΗ Θm (B) = -519.2(kJ/mol) Δ rSΘm(B) = 81.3(J/mol?K) Δ rGΘm(B) = -641150(J/mol) (2) 求反应(A)(B)在 1500K 下的标准平衡常数 KΘA、KΘB 、 lnK(A)Θ = -Δ rGΘm(A)/RT lnK(B)Θ = -Δ rGΘm(B)/RT ? K(A)Θ = 4.62 × 1027 ? K(B)Θ = 2.13 ×1022

(3) 由(2)题得出的信息说明下列问题: ① 该条件下, (A)(B)反应是否完全?达平衡时有人认为 n(CH4) ≈ 0,是否合理? 、

因 K(A)Θ和 K(B)Θ都很大,可视为反应十分完全,达平衡时 n(CH4) ≈ 0 合理。



平衡时,n(CO2)和 n(CO)之间的关系如何?(写出>,< 或>>,<<)

因 K(A)Θ>> K(B)Θ

? n(CO2) >> n(CO)

(4) 当反应条件在 T=1500K,PΘ时,进入燃烧器的空气量维持物质的量的比例 CH4:O2 =1:2,当达 到平衡时,CO 的物质的量分数 x(CO)为 7.6× 10 5;若反应前后总物质的量可视为不变。请计算当 燃烧产生的烟中的水蒸气从 1500K 冷却到室温后, 水蒸汽凝结, 致使气相中的总物质的量由 n 总 =11 变成 n 总 =9,此时烟里的 CO 的浓度 x′(CO)为多少?(用 10
- -6 -

表示)有 CO 中毒的危险吗?。

因达平衡时气相中 x(CO) = 7.06 × 10 5,则水蒸汽凝结后使气相中的物质的量的总数由 n 总 =11 变成 n


=9。
-5

? x′(CO) = 7.06 × 10 此值大于 50 ×10
-6

× 11/9 = 86.3 × 10

-6

有引起中毒的危险
+

北京 2008 年第 10 题(共 10 分)纯水的饱和蒸汽压与温度
+



H 2O

的 对 数 lg pH 2 O 对 温 度 的 倒 数

T

lg (p H

p

1

2O

关系如下图所示,该图是根据水的饱和蒸汽

/k P a )

+ +

作图得出的直线关系。该直线可用一般代数 方程式表示:
lg pH
2O

+

=

A T

+ B
1 T (K -1 )

A 为直线斜率,B 为截距。实验证明,常 数 A 与 H2O 的摩尔蒸发焓(Δ
vapΗ
Θ

m)有关, vapΗ
Θ

在温度变化不大时,它可视为常数,即: A = ?Δ ,则上述直线方程可 写为:lg p H 2 O = ?(Δ
vapΗ
Θ

m

/2.303R

m

/2.303R)×

1
T

+ B

有人通过实验得出水的炮和蒸汽压与温度的关系 式为:
lg p = 1 1 .1 0 2 2265
T

( a)

(1)根据式 a,求出 H2O(l) ?Δ
vapΗ
Θ

H2O(g)的摩尔相变焓?Δ

vapΗ

Θ

m(H2O)

m

/2.303R = 2265

Δ

vapΗ

Θ

m

= 2.303 ? 8.341 ?2265 = 43.4 kJ/mol (2 分)

(2)请利用下列数据,从理论上求出 H2O 的Δ vapΗ Θm。 H2O(l)的Δ fΗ Θm=-285.8 kJ/mol H2O(g)的Δ fΗ Θm=-241.8 kJ/mol

Δ

vapΗ

Θ

m

= -241.8 + 285.8 = 44.0 kJ/mol

(2 分)

(3)利用(1)(2)中求出的数据,计算实验值得相对偏差。 、 [(43.4 – 44.0)/44.0] ?100% = -1.4% (2 分)

(4) 根据式 a, 求①平均海拔为 4500m 的西藏高原上, 大气压力为 5.73?104Pa 时水的沸点为多少? ② 在高压锅炉内当水蒸气压达到 1000 kPa 时,水的沸点是多少? ① lg 5.73 ? 104 = 11.102 ? 2265/T ② lg 1000 ? 103 = 11.102 ? 2265/T 北京 2007 年第 8 题(共 15 分) 已知有关物质的热力学数据如下: (298K,100kPa 下) 物质 Δ fΗ Θm (kJ/mol) SΘm (J/mol?K) (1) 煤、 汽油、 天然气是当今最常用的几种燃料, 它们所含的主要代表物质分别是: 碳(C)、 辛烷(C8H18)、 甲烷((CH4),试从对环境的污染及其各物质完全燃烧时的热效应等方面进行比较(以 1 mol 物质为基础 进行计算) 。 C + O2 → CO2 Δ rΗ m = -393.5 kJ/mol (煤)
5.69 757.1 186.2 213.6 62.94 282.4 173.5 330.6 184.8 41.8 C(s) 0 辛烷(g) 甲烷(g) CO2(g) H2O(l) -207.8 -74.85 -393.5 SiF4(g) HF(g) SiCl4(g) HCl(g) SiO2(石英) -859.4

? T = 357.04 K,t ? 84° C

(2 分)

? T = 443.94 K,t ? 171° (2 分) C

-285.8 -1641.9 -203.6 -657.0 -92.31

C8H18 + 25/2 O2 → 8CO2 + 9H2O Δ rΗ m = -5.5х 103 kJ/mol (汽油) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2H2O Δ rΗ m = -0.890х 103 kJ/mol (天然气) 煤炭是组成极其复杂的大分子,含有大量的芳香烃,含有 S、N 的杂环化合物,因此在燃烧时有 SO2 及 NO 的化合物生成,也有 CO、CO2 生成,导致产生温室效应,光化学烟雾及酸雨。 汽油在气缸中燃烧时通常有空气参加,常有 NO 及 CO 生成。汽油的组成中碳氢化合物在不完全燃烧时产

生一些有毒物质。若未完全净化的汽油则含有 S,燃烧时生成 SO2。 天然气为较好的清洁燃料,完全燃烧生成 CO2,H2O。

(2)估计下列各变化过程中的熵(S)是增大还是减少。 ① NH4NO3 爆炸: 2NH4NO3(g)→ 2N2(g) + 4H2O(g) + O2(g) ② 水煤气转化: ③ 臭氧生成: CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g) 3O2(g) → 2O3(g)

① 该过程为气体增加过程,故熵增大 ② 该过程发生前后为分子不变过程,故熵不变 ③ 该过程为分子数减少过程,故为熵减小 (2) Δ G = Δ H - TΔ S 称为吉布斯(gibbs)方程,在等温等压下的化学反应的吉布斯自由能(Δ rGm) 变化是其焓变(Δ rΗ m)和熵变(Δ rSm)的综合效应。因此可用Δ rGm 的正负判断反应的自发性。请根据 给定的热力学数据,计算下列反应在 298K,100kPa 下的Δ rG HF(g)能反应,而 SiO2(石英)和 HCl(g)不能反应。 SiO2(石英) + 4HF(g) → SiF4(g) + 2H2O(l) SiO2(石英) + 4HCl(g) → SiCl4(g) + 2H2O(l)
Θ

m

值,并说明在该条件下,SiO2(石英)和

① Δ rΗ Δ rG
Θ

Θ

m m

= -512.7 kJ/mol Δ rS
Θ

Θ

m

= -515.9 J/mol?K

= Δ rΗ
Θ

m

- TΔ rS

Θ

m

=(-512.7 kJ)-298K(-515.9 J/mol?K)= -358.9х 103 kJ/mol
Θ

Δ rG ② Δ rG Δ rΗ
Θ Θ

m

<0

298K,P 下反应可自发正向进行。
Θ

m

= 38 kJ/mol Δ rS
Θ

m

= -324.56 kJ/mol?K
-3

m

= Δ rΗ
Θ

m

- TΔ rS

Θ

m

= 38kJ/mol -298K(-324.6×10
Θ

kJ/mol?K)= 96.76 kJ/mol

Δ rG

m

>0

298K,P 下反应非自发。

北京 2006 年第 10 题(共 17 分) 有下列三种燃料,甲烷、甲醇和氢气,假设 ①甲烷与氧气 ②甲醇与氧气 ③氢气与氧气 ④氢气与氟 的反应均为理想燃烧, (1) 上述反应中 CH4(g)、CH3OH(l)、H2(g)均为 1 mol,请写出上述反应方程式: ①甲烷与氧气 CH4 (g) + 2 O2 (g) = CO2 (g) + 2 H2O(g)

②甲醇与氧气 CH3OH(l) + 3/2 O2 (g) = CO2 (g) + 2 H2O(g) ③氢气与氧气 H2 (g) + 1/2 O2 (g) = H2O(g) ④氢气与 F2 (g) H2 (g) + F2 (g) = 2 HF(g) (共 4 分,每式 1 分)

(2)上述四个反应常用于动力火箭燃料的反应,请利用 298K 时下列物质的标准生成焓(设它们与温度无 关) ,分别计算 298K 时各个反应每千克反应物的焓变: (kJ/kg) 物质, 298K Δ fΗ Θm O2(g) 0 H2(g) 0 CH4(g) –74.8 CO2(g) –393.5 H2O(g) –241.8 CH3OH(l) –238.6 F2 (g) 0 HF(g) –268.6

Δ rH m① =Δ rH m①/M{CO2(g) + 2H2O(g)} = –802.3kJ?mol–1/(44 + 2×18) ×10–3 kg?mol–1 = –10028.8 kJ?kg–1
Θ Θ

Δ rH m② =Δ rH m②/M{CO2(g) + 2H2O(g)} = –638.5kJ?mol–1/(44 + 2×18) ×10–3 kg?mol–1 = –7981.6 kJ?kg–1
Θ Θ

Δ rH m③ =Δ rH m③/M{ H2O(g)} = –241.8kJ?mol–1/0.018 kg?mol–1 = –13435 kJ?kg–1
Θ Θ

Δ rH m④ =Δ rH m④/M{ 2HF(g)} = –537.2kJ?mol–1/ 2×20×10–3 kg?mol–1 = –13430 kJ?kg–1
Θ Θ

(共 4 分,

每式 1 分)

(3)已知当排出气体的摩尔质量较低时,火箭推力较大,试将生成物的摩尔质量(在反应中若有多种物质 生成,则用平均摩尔质量)除以每千克发的热,将计算结果根据火箭推力效果的次序进行排列: ① Δ rH m①/
Θ Θ

M

= –10028.8 kJ?kg–1/[ (1/3) × (44 + 2×18) ×10–3 kg?mol–1 = –3.76×10–5 kJ?kg–2?mol–1 = –7981.6 kJ?kg–1/[ (1/3) × (44 + 2×18) ×10–3 kg?mol–1

② Δ rH m②/

M

= –2.993×10–5 kJ?kg–2?mol–1 ③ Δ rH m③/M{H2O(g)} = –13435kJ?kg–1/0.018 kg?mol–1 = –7.464 ×10–5kJ?kg–2?mol–1
Θ

④ Δ rH m④/M{HF(g)} = –13430kJ?kg–1/0.02 kg?mol–1 = –6.715 ×10–5kJ?kg–2?mol–1
Θ

火箭推力效果次序为:③ > ④ > ① > ② (共 5 分,每式 1 分,推理效果 1 分)

(4)请说明上述四个反应是熵增大?熵减小?熵不变反应? ①甲烷与氧气 Δ ng = 0 熵不变反应

②甲醇与氧气 ③氢气与氧气

Δ ng = 3 ? 3/2 = 3/2 熵增反应 Δ ng = 1 ? 3/2 = ?1/2 熵减反应

④氢气与 F2 (g) Δ ng = 0 熵不变反应 (注:不写Δ ng 直接得出后面结论,算对。共 4 分,每个结果 1 分) 北京 2005 年第八题(共 8 分) 为了利用天然气矿中的甲烷,有人设计了如下两个化学反应: 2CH4(g) + H2O(l) = C2H5OH(l) + 2H2(g) CH4(g) + 1/2 O 2 (g) = CH3OH(l) 已知:298K,P 下
Θ

① ②

物质 H2O(l) CH4(g) CH3OH(l) C2H5OH(l) CO2(g)

Δ fΗ Θm(kJ/mol) —285.84 —74.85 —238.57 —277.63 —393.51
Θ

Δ fGΘm(kJ/mol) —237.19 —50.79 —166.23 —174.77 —394.38

1. 请用计算结果判断,反应①和②在常温常压下(298K,P )实现的可能性如何? ① Δ rH
Θ

m

= 2 × 0 + (-277.63) – (-285.84)-2× (-74.85)= 157.91 kJ/mol(吸热)
Θ

Δ rG ② Δ rH Δ rG
Θ

m

= 2 × 0 + (-174.77)– (-237.19)-2 × (-50.79)= 164.09 kJ/mol

m

= -238.57 – 1/2 × 0 –(-74.85)= –163.72 kJ/mol(放热) -166.23 – 1/2 × 0 –(-50.79)= -115.44 kJ/mol
Θ Θ

Θ

m=

反应②有实现的可能性,∵ 298K,P 下 Δ rG

m

?0

(共 2 分)

2. 对于常温常压下不可能实现的反应, 当选用 “高效催化剂” 之后, 能否变为常温常压下可实现的反应? 为什么? 对反应①选用高效催化剂,也不可能在 298K,P 下进行,∵ Δ rG
Θ Θ

m

? 0,热力学上不可能进行反应,催

化剂无效。

(1 分)
Θ

3. 对于可能实现的反应,请利用ΔrGΘm = –RTlnKΘ从理论上求出 298K,P 下其平衡常数 KΘ。若该反应为 可逆的话,讨论温度、压力等外界条件对化学平衡的影响。(R = 8.314 J/mol?K) Δ rG
Θ

m

= -RTlnK

Θ

lnK

Θ

= -Δ rG

Θ

m

/RT = 115.44 × 103/8.314 × 298 = 46.594

K

Θ

= 1.72 ×1020

∵ 为 放 热 反 应 , 升 温 不 利 于 正 向 进 行 , Δ n = 0 – 1.5 = –1.5 , 升 高 压 力 有 利 于 正 向 进 行 。 (2 分)

4. 若将 CH4 与 O 2(或空气)制造燃料电池 (1) 这个电池放电时发生的化学反应方程式为: CH4(g) + 2 O2(g) = CO2(g) + 2 H2O(l) (2) 电池中电极发生反应 负极发生的反应是 CH4 + 4O2 – 8 e = CO2 + 2 H2O


正极发生的反应是 2 O2 + 8 e = 4O2 总反应: 向外电路释放电子的电极是负极。



CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O

(3) 请根据ΔrGΘm = –nFEΘ的关系式求出该电池的电动势 EΘ(F 为法拉第常数,F = 96500 库仑) 。 Δ rG E
Θ Θ

m

= –nFE
Θ

Θ

Δ rG

Θ

m

=2× (-237.19)+(-394.38)- (-50.79)= -817.97 kJ/mol (共 3 分)

= –Δ rG

m

/nF = 817.97 × 103/8 ×96500 = 1.06 V


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