华南理工物理化学二含答案.docx

华南理工物理化学二含答案.docx

《华南理工物理化学二含答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华南理工物理化学二含答案.docx（8页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

华南理工物理化学二含答案

华南理工物理化学

（二）2001（含答案）

华南理工大学

2001年攻读硕士学位研究生入学考试试卷

（请在答题纸上做答，试后本卷与答题纸一同交回）

科目名称：

物理化学（含物理化学实验）

适用专业：

化学工程、化学工艺、工业催化、环境工程

1.C6H6在100kPa时的熔点为5℃，摩尔熔化焓为9916J·mol-1，Cp,m（l）=126.8J·K-1·mol-1，Cp,m（s）=122.6J·K-1·mol-1。

求100kPa、–5℃下1mol过冷C6H6凝固成固态C6H6的Q、△U、△H、△S、△A、△G，假设凝固过程的体积功可以忽略不计。

（12分）

解：

涉及过程如下：

∆H=∆H1+∆H2+∆H3=Cp,m（l）（T'－T）+∆H2＋Cp,m（s）（T－T'）

＝9916J·mol-1+（122.6－126.8）×（268－278）J·mol-1

=9958J·mol-1

恒压Q=∆H=9958J·mol-1

∆U=∆H－∆pV≈∆H=9958J·mol-1

∆S=∆S1+∆S2+∆S3=Cp,m（l）ln（T'/T）+∆H2/T'+Cp,m（s）ln（T/T'）

=∆H2/T'+[Cp,m（s）－Cp,m（s）]ln（T/T'）

＝9916J·mol-1/278K+（122.6－126.8）ln（268/278）J·K-1·mol-1

=35.8J·K-1·mol-1

∆G≈∆A=∆H－T∆S=9958J·mol-1－268K×35.8J·K-1·mol-1=363.6J·mol-1

2.卫生部规定汞蒸气在1m3空气中的最高允许含量为0.01mg。

已知汞在20℃的饱和蒸气压为0.160Pa，摩尔蒸气发焓为60.7kJ·mol-1（设为常数）。

若在30℃时汞蒸气在空气中达到饱和，问此时空气中汞的含量是最高允许含量的多少倍？

汞蒸气看作理想气体，汞的摩尔质量为200.6g·mol-1。

（10分）

解：

本题主要利用克－克方程进行计算。

30℃时汞蒸气压为

p'=pexp[∆vapH（T'-T）/RTT']

=0.160Pa×exp[60700×（303.15－293.15）/（8.315×293.15×303.15）]

=0.3638Pa

此时空气中汞含量是最高允许含量的倍数为

（pV/RT）M/0.01×10－3g=[0.3638×1/（8.315×303.15）]×200.6/10－5=2895

3.钙和镁能形成一种稳定化合物。

该系统的热分析数据如下

质量百分数wCa/%

0

10

19

46

55

65

79

90

100

冷却曲线出现折点时T/K

－

883

-

973

-

923

-

998

-

冷却曲线的水平线T/K

924

787

787

787

994

739

739

739

1116

（1）   画出相图（草图）并分析各相区的相态和自由度。

（2）   写出化合物的分子式，已知相对原子量：

Ca，40；Mg，24。

（3）   将含钙35％的混合物1kg熔化后，放置冷却到787K前最多能获稳定化合物多少？

（12分）

解：

（1）相图如下。

单相区F=2，两相区F=1，三相线F=0。

（2）化合物C含Ca55%，可知其分子式为

Ca：

Mg=（55/40）:

（45/24）=11/15

即为Ca11Mg15。

（3）根据杠杠规则，设能得到化合物为W，则

（1kg－W）×（35－19）=W×（55－35）

得

W=0.444kg

4.在25℃时，下列电池

Zn（s）|ZnCl2（b=0.005mol·kg-1）|Hg2Cl2（s）|Hg

（1）

的电动势E＝1.227V。

（1）   写出电极反应和电池反应。

（2）求25％时该ZnCl2水溶液的离子强度I，离子平均活度系数γ±和活度a。

已知德拜－许克尔极限公式中常数A＝0.509kg1/2·mol-1/2。

（3）计算电池的标准电动势Eθ。

（4）   求电池反应的∆rGθ。

（13分）

解：

此题与霍瑞贞主编的《物理化学学习与解题指导》258页15题基本相同，但书上计算活度部分是错误的！

（1）正极反应：

Hg2Cl2（s）＋2e－＝2Hg

（1）＋2Cl－

负极反应：

Zn（s）＝Zn2＋＋2e－

电池反应：

Hg2Cl2（s）＋Zn（s）＝2Hg

（1）＋ZnCl2

（2）b+=b，b－=2b，

I=（1/2）∑bBzB2=0.5×[b×4＋2b×1]=3b=3×0.005mol·kg－1＝0.015mol·kg－1

lgγ±=－Az+|z-|I1/2=－0.509×2×0.0151/2=－0.1247

γ±=0.750

a=a±3=b±3γ±3/bθ3=b+b-2γ±3/bθ3=（0.005）（2×0.005）2×0.7503

＝2.11×10－7

（3）   根据Nernst方程

Eθ=E+（0.05916V/2）lga（ZnCl2）=1.227V+0.02958V×lg（2.11×10－7）=1.030V

（4）   ∆rGθ=－zFEθ=－2×96500×1.021J=-197.1kJ

5.HI的摩尔质量M＝127.9×10-3kg·mol-1，振动特征温度Θv＝3200K，转动特征温度Θr＝9.0K：

已知k＝1.381×10－23J·K-1，h＝6.626×10-34J·s，L＝6.022×1023mol-1。

（1）   计算温度298.15K，100kPa时HI的平动、转动、振动配分函数qt、qr、qv0。

（2）   根据转动各能级的分布数，解释能级越高粒子分布数越小不一定正确。

（10分）

解：

（1）V=nRT/p=（1×8.315×298.15/100000）m3=0.02479m3

=3.471×1031

qr=T/Θrσ=298.15K/（9.0K×1）=33.13

=1.000

（2）根据玻尔玆曼分布，转动能级分布

nJ/N=gJexp（-J（J+1）Θr/T）/qr=（2J+1）exp（-J（J+1）Θr/T）/qr＝gJfJ

由gJ=（2J+1）和fJ决定，随着J增大，gJ增大，fJ减少，因此有可能出现一个极大值，即能级越高粒子分布数越小不一定正确。

6.在273K时用钨粉末吸附正丁烷分子，压力为11kPa和23kPa时，对应的吸附体积（标准体积）分别为1.12dm3·kg-1和1.46dm3·kg-1，假设吸附服从Langmuir等温方程。

（1）   计算吸附系数b和饱和吸附体积V∞。

（2）若知钨粉末的比表面积为1.55×104m2·kg-1，计算在分子层覆盖下吸附的正丁烷分子的截面积。

已知L＝6.022×1023mol-1。

（10分）

解：

（1）Langmuir等温方程V/V∞=bp/（1+bp），两种不同压力下的数据相比数得

V/V'=（1+1/bp'）/（1+1/bp）

1.46/1.12=（1+1/11kPa/b）/（1+1/23kPa/b）

可得b=0.156kPa-1

所以

V∞=V（1+bp）/bp＝1.12dm3·kg-1×（1+0.156×11）/（0.156×11）

=1.77dm3·kg-1

（2）   比表面A0=V∞LA/（0.0224m3·mol－1），可得截面积为

A＝（0.0224m3·mol－1）A0/V∞L

＝（0.0224m3·mol－1）×1.55×104m2·kg-1/（1.77×10－3m3·kg-1×6.022×1023mol-1）

＝3.257×10－19m2

7.有下列反应

式中k1和k2分别是正向和逆向基元反应的速率常数，它们在不同温度时的数值如下：

温度/K

300

310

k1/s-1

3.50×10-3

7.00×10-3

k2/（s·pθ）-1

7.00×10-7

1.40×10-6

（1）   计算上述可逆反应在300K时的平衡常数Kp和Kθ。

（2）   分别计算正向反应与逆向反应的活化能E1和E2。

（3）   计算可逆反应的反应焓∆H。

（4）   在300K时，若反应容器中开始时只有A，其初始压力p0为pθ，问系统总压p',

达到1.5pθ时所需时间为多少？

（可适当近似）（13分）。

解：

（1）Kp=k1/k2=3.50×10－3s－1/7.00×10－7（s·pθ）-1＝2000pθ

Kθ＝Kp/pθ=2000

（2）E1=RTT'ln（k1'/k1）/（T'－T'）=[8.315×300×310×ln（7.00/3.50）/（310－300）]J·mol－1

＝53.6kJ·mol－1

E2=RTT'ln（k2'/k2）/（T'－T'）

=[8.315×300×310×ln（1.40×10－6/7.00×10－7）/（310－300）]J·mol－1

＝53.6kJ·mol－1

（3）∆H=E1－E2＝0

（4）A（g）=B（g）+C（g）

t=0pθp=pθ

t=t'pApθ-pApθ-pAp=2pθ-pA即pA＝2pθ－p

速率方程

-dpA/dt=k1pA－k2（pθ-pA）2≈k1pA（∵pθk2<

积分得

t=ln（pA0/pA）/k1=ln[pθ/（2pθ－p）]/t=ln[pθ/（2pθ－1.5pθ）]/3.50×10-3s-1=198s

8．在浓度为10mol·m-3的20cm3AgNO3溶液中，缓慢滴加浓度为15mol·m-3的KBr溶液10cm3，以制备AgBr溶胶。

（1）写出AgBr溶胶的胶团结构表达式，指出电泳方向。

（2）在三个分别盛10cm3AgBr溶胶的烧杯中，各加入KNO3、K2SO4、K3PO4溶液使其聚沉，最少需加电解质的数量为：

1.0mol·m-3的KNO35.8cm3；0.01mol·m-3的K2SO4；8.8cm3；1.5×10－3mol·m-3的K3PO48.0cm3；计算各电解质的聚沉值以及它们的聚沉能力之比。

（3）293K时，在两极距离为35cm的电泳池中施加的电压为188V，通电40min15s，测得AgBr溶胶粒子移动了3.8cm。

问该溶胶的ξ电势为多大？

已知293K时分散介质的相对介电常数εr＝80，粘度η＝1.03×10-3Pa·s，真空介电常数ε0＝8.854×10-12F·m-1。

（10分）

解：

（1）AgNO3过量，为稳定剂，胶团结构为

[（AgBr）mnAg＋·（n－x）NO3－]x+·xNO3－

胶粒带正电，电泳时向负极移动。

（2）KNO3的聚沉值：

1.0mol·dm-3×5.8cm3/（10+5.8）cm3=0.367mol·dm-3

K2SO4的聚沉值：

0.01mol·dm-3×8.8cm3/（10+8.8）cm3=4.68×10-3mol·dm-3

K3PO4的聚沉值；0.0015mol·dm-3×8.0cm3/（10+8.0）cm3=6.67×10-4mol·dm-3

聚沉能力之比KNO3：

K2SO4：

K3PO4

=（1/0.357）：

（1/4.48×10-3）：

（1/6.67×10-4）=1：

79.7：

535

（3）由公式u=εEζ/h=ε（V/l）ζ/h得

ζ=ulh/εV=ulh/εrε0V

=（0.038m/2415s）×0.35m×1.03×10-3Pa·s/（80×8.854×10-12F·m-1×188V）

=0.0426V

9.在室温下氨基甲酸铵很不稳定，易分解，且分解平衡压力小于大气压。

请你设计反应装置，测量这个反应的平衡常数，粗略画出实验装置草图，说明部件要求什么条件，如何测量压力，并推导平衡常数表达式。

NH2COONH4（s）=2NH3（g）+CO2（g）（10分）

解：

参考物理化学实验教材。