北师大《无机化学》第四版习题答案5.docx

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北师大《无机化学》第四版习题答案5

第五章化学热力学基础

5-1从手册中查出常用试剂浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、浓氨水的密度和质量分数计算它们的（体积）物质的量浓度和质量摩尔浓度。

解：

经查阅:

p（HCl）=mlw（HCl）=%

p（H2SO4）=mlw（H2SO4）=98%

p（HNO3）=mlw（HNO3）=%

p=mlw=26%

由公式c=pw/M可得：

c（HCl）=12mol·L–1c（H2SO4）=·L–1

c（HNO3）=mol·L–1c=mol·L–1

设1㎏水中含溶质nmol,则由w=m/（m+1000）（m为溶质质量）可得：

m（HCl）=mol/㎏

m（H2SO4）=500mol/㎏

m（HNO3）=mol/㎏

m=mol/㎏

5-2从手册查出常温下的饱和水蒸气压，计算当时相对湿度为40%时，水蒸气压多大。

解：

在298K下，P（饱和水蒸气压）=，P（不饱和）/P（饱和）=40%，

则P（不饱和）/P（饱和）=40%×P（饱和）=×=Kpa

答：

水蒸气压为Kpa.

5-3化学实验中经常用蒸馏水冲洗已用自来水洗净的烧杯。

设洗净烧杯内残留“水”为1mL,试计算，用30mL蒸馏水洗1次和2次，烧杯中残留的“自来水的浓度”分别多大

解：

再用自来水洗之后，烧杯中自来水为1ml之后，加入30ml蒸馏水，一共为31ml水，自来水占1/31，倒掉后又倒1ml，故自来水浓度为1/31。

若第一次加入的蒸馏水倒掉之后，1ml中含1/31ml的自来水；

再加入30ml蒸馏水，一共为31ml水，自来水占1/312=1/963

所以倒掉后自来水占1/312=1/963

5-4计算15℃,97kPa下15g氯气的体积。

5-520℃，97kPa下某气体的体积为，求气体的摩尔质量。

解：

由理想气体状态方程：

p×v=n×R×T，n=m/M，得p×v=m/M×R×T

M=mpT/pv=××293/97×103×=g/mol

该气体的摩尔质量为：

g/mol。

5-6测得氯化在407℃的1L容积的真空系统里完全蒸发到的压力为60kPa，求氯化汞蒸气的摩尔质量和化学式。

解：

（1）设氯化汞蒸汽的摩尔质量为M，则由n=m/M,p×v=n×R×T

得M=m×R×T/p×v=××680/60=g/mol

（2）设氯化汞的化学式为HgCln,则

+=

解得n=2

答：

氯化汞的摩尔质量是mol,化学式是HgCl2

5-7在1000℃和97kPa下测得硫蒸气的密度为,求蒸气的摩尔质量和化学式。

解：

（1）设硫蒸气的体积为1L，则由p×v=n×R×T得

M=m×R×T/p×v=××1273/97×1=65g/mol

（2）设硫蒸气的化学式为Sn，则32n=65解得n=2

所以硫蒸气的摩尔质量是65g/mol化学式是S2.

5-8在25℃时将相同压力的氮气和15L氧气压缩到一个的真空容器中，测得混合气体的总压为150kPa，

（1）求两种气体的初始压力；

（2）求混合气体中氮和氧的分压；（3）将温度上升到210℃，容器的总压。

解：

方法1：

1）假设压缩两种气体的总压力为P,分压为P1、P2，则由玻意耳定律得:

P1V1=P2V2

P=P2V2/V1=75kPa

P1=75×5/（5+15）=

P2=75×15（5+15）=56025kPa

（2）假设混合气体的分压分别为P3、P4,则有:

P3=150×5/（5+15）=kPa

P4=150×15（5+15）=kPa

（3）假设210℃时，容器的总压为P5，则由盖吕莎克定律得：

P/T=P5/T5

P5=P×T5/T=243kPa

方法2：

（1）两种气体的初始压力为p，则由p1v1=p1v1得

p（VN2+VO2）=p混V混

则p=p混×v混/（vN2+vO2）

=150×10/（5+15）

=75Kp

（2）同温同压下,n（N2）:

n（O2）=V（N2）:

V（O2）=1:

3

P（O2）=P×X（O2）=1/4×150kPa=

P（N2）=P×X（N2）=3/4×150kPa=

（3）P2V2=nRT2①

PV=nRT②两式相比,得P2/P=T2/T

150kPa/P=298K/483KP=243kPa

5-9在25℃，下把氨气通入容积为刚性壁密闭容器中，在350℃下用催化剂使部分氨分解为氮气和氢气，测得总压为5MPa，求氨的解离度和各组分的摩尔分数和分压。

解:

P1V1=n（NH3）RT1→n（NH3）=

P2V2=n（混）RT→n（混）=

设有2xmol的NH3在1123K下分解,则有xmolN2和3xmolH2生成,则nNH3-2x+x+3x=n总

x=

X（NH3）=（nNH3-2x）/n总=

X（N2）=X/n总=

X（H2）=3x/n总=

P（NH3）=P×X（NH3）=

P（N2）=P×X（N2）=

P（H2）=P×X（H2）=

NH3的解离度=（n（NH3）-2x）/n（NH3）=％。

5-10某乙烯和足量的氢气的混合气体的总压为6930Pa，在铂催化剂催化下发生如下反应：

C2H4（g）+H2（g）＝C2H6（g）反应结束时温度降至原温度后测得总压为4530Pa。

求原混合气体中乙烯的摩尔分数。

解：

由等温变化得：

P1V1/n1=P2V2/n2

原混合气体中乙烯的摩尔分数为Ni；设气体总体积为1

6930*1/n=4530*1/（1-Ni）n

得=

答：

原混合气体中乙烯的摩尔分数为

5—11以下哪些关系式是正确的（p、V、n表示混合气体的总压、总体积和总物质的量）说明理由。

pVB=nBRTpBV=nBRTpBVB=nRTpV=nRT

答:

PVB=nBRT错误

PBV=nBRT正确,它表示B物质的分压力

PBVB=nRT错误

PV=nRT正确,它就是气体的状态方程.

5-12以下系统内各有几个相

（1）水溶性蛋白质的水溶液；

（2）氢氧混合气体；

（3）盐酸与铁块发生反应的系统；（4）超临界状态的水。

解

（1）一个相，因为溶液均匀分布的；

（2）一个相，因为混合气体均匀分布的；

（3）三个相，因为反映系统中有未反映的铁固体，生成H2气体以及溶液液体。

（4）一个相，因为超临界状态的水，既有水固体，又有水液体和水蒸汽。

5-1310g水在373k和100kPa下气化，所做的功多大

解:

系统接受环境所给的功：

W=P×△V=RT△n=×373×10/18=

5—14反应CaC2（s）+2H2O（l）=Ca（OH）2（s）+C2H2（g）在298K下的标准摩尔热力学能变化量为–1，求该反应的标准摩尔焓变。

解：

该反应是在恒温恒压条件下进行，反应的标准摩尔生成焓：

△rHm=U+P△V=+×298×（1-0）=mol–1

5-15人类登月使用的阿波罗的第一级火箭使用了550吨煤油在内与氧发生燃烧反应产生巨大推力。

以C12H26（l）为煤油的平均分子式的燃烧热为-7513KJmol-1，试计算这个燃烧反应的功率。

解：

设这个燃烧反应的功率为P，在内产生的热量为WkJ;则由：

C6H12O6+=12CO2+13H2O;H=–7513kJ/moL

170g7513kJ

55010001000gWkJ

W=1010kJ

P=W/t=108kW

5—16已知Al2O3（s）和MnO2（s）的标准摩尔生成焓为-1676KJmol-1和-521KJmol-1，计算1g铝与MnO2（s）足量反应（铝热法）产生的热量。

解:

n（Al）=1/27mol

4Al+3MnO2=2Al2O3+3Mn

Qp=△H=（-1676+521）×1/27=mol–1

5-17已知Cl-1（aq）的标准摩尔生成焓为–kJmol–1，计算1molHCl（g）溶于足量的水释放多少热[注]计算得到的值为氯化氢的溶解热；HCl（g）的标准摩尔生成焓可从本书附表中查获。

假设水量的多少与程度无关（事实上是有关的，因此溶解热的数值通常设定为无限稀释。

）

解:

假设溶于定量的水释放的热量为△H，则有：

HCl（g）=H（∞aq）++Claq–

因规定△fHmO（H（∞aq））=0△H（Cl–）=–mol

又可查表得：

H（HCl）=–mol

△rHmO=△fHmO（H（∞aq））+△fHmO（Claq–）–△fHmO（HCl（g））

=0+（–）–（–）=kJmol–1

所以1molHCl（g）溶于足量水的释放热为kJmol–1

5-18：

用标准摩尔生成焓的数据计算SiF4（g）与足量H2O（l）的反应生成SiO2（s）和HF（g）的摩尔反应焓。

解:

反应方程式为：

SiF4（g）+2H2O（l）=SiO2（s）+4HF（g）

△rHmO=△rHmO（SiO2）+4△rHmO（HF）–△rHmO（SiF4）–2△rHmO（H2O）

=（–kJmol-1）+4*（–kJmol–1）–2*kJmol-1）–（–kJmol–1）

=（kJmol–1）

所以为：

SiF4（g）+2H2O（l）=SiO2（s）+4HF（g）△rHmO=（kJmol-1）

5-19利用本书附表与下列数据计算石灰岩[以CaCO3（方解石）计]被CO2（g）溶解发育成喀斯特地形的如下反应的标准摩尔反应焓：

CaCO3（s）+CO2（g）+H2O（l）=Ca2+（aq）+2HCO–-3（aq）

△rHmθ/kJmol-1:

Ca2+（aq）–HCO-3（aq）–

解：

CaCO3（s）+CO2（g）+H2O（l）=Ca2+（aq）+2HCO-3（aq）

△rHmθ=△rHmθ（Ca2+（aq））+2△rHmθ（HCO-3（aq））–△rHmθ（CaCO3（s））–△rHmθ（CO2（g））–△rHmθ（H2O（l））

=（–kJmol–1）+2×（–kJmol–1）–2×（–kJmol–1）–（–kJmol–1）–（–kJmol–1）=–（kJ·mol–1）

5-20火柴头中的P4S3（s）标准摩尔燃烧热为-3677kJmol-1[注：

燃烧产物为P4O10（s）和SO2（g）]，利用本书附表的数据计算P4S3（s）的标准摩尔生成焓。

解：

P4S3（s）+8O2（g）=P4O10（s）+3SO2（g）

△rHmθ=△rHmθ（P4O10（s））+3△rHmθ（SO2（g））–△rHmθ（P4S3（s））–8△rHmθ（O2（g））–

（–kJmol–1）+3×（–kJmol–1）–△rHmθ（P4S3（s））–（0kJmol–1）=–3677（kJmol–1）

∴△rHmθ（P4S3（s））=–kJmol–1

即P4S3（s）的标准摩尔生成焓为kJmol–1

5-21诺贝尔发明的炸药爆炸可使产生的气体因热膨胀体积增大1200倍，其化学原理是硝酸甘油发生如下分解反应：

4C3H5（NO3）3（l）=6N2（g）+10H2O（g）+12CO2（g）+O2（g）

已知C3H5（NO3）3（l）的标准摩尔生成焓为–355kJmol–1，计算爆炸反应的标准摩尔反应焓。

解：

4C3H5（NO3）3=6N2+10H2O+12CO2（g）+O2（g）

△rHmθ=6×△rHmθ（N2）+10△rHmθ（H2O）+12△rHmθCO2（s））+△rHmθ（O2（g））

–4△rHmθ（C3H5（NO3）3）

=6×（0kJmol–1）+10×（–mol–1）–12×mol–1）–（0kJmol–1）–4（–355kJmol–1）=–（kJmol–1）

∴4C3H5（NO3）3=6N2+10H2O+12CO2（g）+O2（g）△rHmθ=－（kJmol–1）

5-22石灰的水化反应放出的热足以将纸张着火或鸡蛋煮熟。

试利用本书附表的数据计算500g（1市斤）生石灰（s）与足量的水生成熟石灰（s）放出的热。

（注：

可忽略溶解反应）。

解：

CaO（s）+H2O（l）=Ca（OH）2（s）

△rHmθ=△rHmθ（Ca（OH）2（s））–△rHmθ（CaO（s））–△rHmθ（H2O（l））=–（kJmol–1）

∴500g/56g/mol×△rHmθ=mol–1

5-23生命体的热源通常以摄入的供热物质折合成葡萄糖[C6H12O6（s）]燃烧放出的热量，已知葡萄糖[C6H12O6（s）]的标准摩尔生成焓为－1273kJmol–1,利用附表数据计算它的燃烧热。

解:

假设葡萄糖的燃烧热为Q，经查表和已知得：

C6H12O6（s）+O2（g）=6H2O（l）+6CO2（g）

△rHmθ=6×△rHmθ（H2O（l））+6△rHmθ（CO2（g））–△rHmθ（O2（s））–△rHmθ（C6H12O6（s）

=－2803（kJmol–1）

C6H12O6（s）+O2（g）=6H2O（l）+6CO2（g）△rHmθ=–2803（kJmol–1）

5-24经测定葡萄糖完全氧化反应：

C6H12O6（s）+O2（g）=6H2O（l）+6CO2（g）的标准摩尔反应自由能为-2840kJmol-1，试查出产物的标准生成自由能，计算葡萄糖的标准摩尔生成自由能。

将所得数据与上题的生成焓数据做比较。

解：

5-25已知N2、NO和O2的解离焓分别为（kJmol-1）、631。

8（kJmol-1）和493。

7（kJmol-1），

仅利用这些数据判断NO在常温常压下能否自发分解。

、

解：

假设进行NO=N2+O2发生，则由已知得反应是吸热反应是极性分子，分子结构复杂，所以是熵减反应，即明显地即反应不是自发的，也就是说在常温常压下不能自发分解。

5-26预计下列反应是熵增反应还是熵减反应不能预计的通过标准熵进行计算。

（1）葡萄糖燃烧

（2）乙炔燃烧（3）碳酸氢钠分解（4）铁丝燃烧

（5）甲烷与水蒸气反应生成水煤气（steamgas–CO和H2的混合气体）

（6）甲烷与氧气反应生成合成气（syngas–CO和H2的混合气体）.

解:

（1）葡萄糖燃烧:

S增大

因为CO的结构比O2复杂，因而生成物的混乱度比反应物大,即反应是熵增反应。

（2）乙炔燃烧:

S减小

因为生成物中气体计量数之和比反映物大，因而混乱度增大，是熵减反应。

（3）碳酸氢钠分解:

S增大

因为反成物只有固体，而生成物有气体，因而混乱度增大，是熵增反应。

（4）铁丝燃烧:

S减小

因为反应消耗O2气体，而生成物只有固体，因而混乱度减小，是熵减反应。

（5）甲烷与水蒸气反应生成水煤气:

S增大

因为生成物的气体计量数要比反应计量数大，因而混乱度大，是熵增反应。

（6）甲烷与氧气反应生成合成气:

S增大

因为生成物的气体计量数比反映物大，因而混乱度增大，是熵反应。

5-27解：

C（s）+O2（g）=CO（g）

5-28碘钨灯因在灯内发生如下可逆反应：

W（s）＋I2（g）＝WI2（g）.碘蒸气与扩散到玻璃内壁的钨会反应生成碘化钨，后者扩散到钨丝附近会因钨丝的高温.而分解出钨重新沉积到钨丝上去，从而可延长灯丝的使用寿命。

已知在298K时：

W（s）WI2（g）I2（g）

ΔfGmθ/kJmol–10－

Smθ/Jmol–1/k251

（a）设玻璃内壁的温度为263K，计算上式反应的ΔrGmθ（623K）

（b）估算WI2（g）在钨丝上分解所需的最低温度。

解：

W（s）+I2（g）=WI2（g）

（1）由吉布斯-亥姆霍兹方程，在298K时，△rGmθ=△rHmθ—T1△rSmθ①

在623K时，△rGmθ（623K）=△rHmθ—T2△rSmθ②

由②—①得，△rGmθ（623K）=（T1—T2）△rHmθ—T2△rSmθ

=（298K－623K）×（251－－）×10–3+（－–）

=－–1

（2）WI2（g）分解即得：

△rGm=0，即吉布斯-亥姆霍兹方程中△rGm=0，

由①得，△rHmθ=－–1，△rSmθ=－KJmol–1K–1

0=△rGm=△rGmθ（T）+RTlnJ

T≈△rGmθ（298K）/RlnJ=△rHmθ（298K）/〔△rSmθ（298K）－RlnJ〕

=–kJmol–1〔〕–kJmol–1K–1–RlnJ〕

5-29用凸透镜聚集太阳光加热倒置在液汞上的装满液汞的试管内的氧化汞，使氧化汞分解出氧气，是拉瓦锡时代的古老实验。

试从书后附录查出氧化汞、氧气和液汞的标准生成焓和标准熵，估算：

使氧气的压力达到标态压力和1kPa所需的最低温度（忽略汞的蒸气压），并估计为使氧气压力达1kPa，试管的长度至少多长

解：

方法一：

经查阅：

H:

HgO=molO2=0kJ/molHg（l）=0kJ/mol

S:

HgO=molKO2=J/molK

Hg（l）=J/molK

因为：

HgO（s）=Hg（l）+1/2O2

△rHm=0+1/20–（–=

△rSm=+1/2=△H–T△S=–RT㏑J

△rHm–T△rSm=–RT㏑P（O2）/P

从而求得温度分别为：

T1=889KT2=647K

方法二：

2HgO（l）=02（g）+2Hg（l）

当02的压力P（02）=1atm，由范特霍夫等温方程式△rGm=0

0=△rGm=△rGmθ（T）+RTlnKθ

lnKθ1=△rSmθ（298K）/R—△rHmθ（298K）/RT1

lnKθ2=△rSmθ（298K）/R—△rHmθ（298K）/RT2

lnK2/K1=－（1/T2—1/T1）△rHmθ（298K）/R

分解HgO时，P（02）=100KPa，则KPθ=100/100=

5-30查出生成焓和标准熵，计算汽车尾气中的一氧化氮和一氧化碳在催化剂表面上反应生成氮气和二氧化碳在什么温度范围内是自发的。

这一反应能否实际发生

解：

2NO+2CO=N2+2CO2

△rGmθ=△rHmθ–T1△rSmθ

5-31石灰窑的碳酸钙需加热到多少度才能分解（这时，二氧化碳的分压达到标准压力）若在一个用真空泵不断抽真空的系统内，系统内的气体压力保持10Pa，加热到多少度，碳酸钙就能分解

解：

CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）

△rHmθ（298K）=〔–（–）+（–）+（–）〕kJ·mol—1

=—1＞0（吸热）

△rSmθ（298K）=〔–（）++〕Jmol—1K–1

=—1K–1＞0（熵增大）

（2）该分解反应为吸热熵增型反应，在温度达到某零界点之前△rGmθ＞0，反应不自发，高于该零界点△rGmθ＜0，反应自发，

正处于零界点温度时，△rGmθ=0

所以0=△rGmθ≈△rHmθ（298K）–T△rSmθ（298K）

T=△rHmθ（298K）/△rSmθ（298K）

=×1000kJ—1/—1K—1

=1051K=778℃，

所以CaCO3加热到778℃以上才能分解。

（2）当P（O2（g））=10Pa时，Kp=10Pa/100kPa=10-4

而ΔrGm=ΔrGmθ（298K）+RTlnKp

令ΔrGm=0，则得T=－ΔrGmθ（298K）／RTlnKp

代入数据，解得T=752K

5-32以下反应，哪些在常温的热力学标态下能自发向右进行哪些不能

ΔrHmθ/kJmol–1ΔrSmθJmol–1/k

（1）2CO2（g）＝2CO（g）+O2（g）174

（2）2N2O（g）＝2N2（g）+O2（g）–163

（3）2NO2（g）＝2NO（g）+O2（g）113145

（4）2NO2（g）＝2O2（g）+N2（g）–120

（5）CaCO3（s）＝CaO（s）+CO2（g）161

（6）C（s）+O2（g）＝CO2（g）–

（7）CaF（s）+aq＝CaF2（aq）－152

向右

解：

（1）2CO2（g）＝2CO（g）+O2（g）吸热熵增型不自发进行

（2）2N2O（g）＝2N2（g）+O2（g）放热熵增性自发进行

（3）2NO2（g）＝2NO（g）+O2（g）吸热熵增型不自发进行

（4）2NO2（g）＝2O2（g）+N2（g）放热熵增性自发进行

（5）CaCO3（s）＝CaO（s）+CO2（g）吸热熵增型不自发进行

（6）C（s）+O2（g）＝CO2（g）放热熵增性自发进行

（7）CaF（s）+aq＝CaF2（aq）吸热熵增型不自发进行

5-33计算氯化铵固体在试管内及在斜置的两头开口的玻璃管内分解所需的最低温度。

解：

答案见课本例题5-19

（1）氯化铵固体在试管内分解：

HCl气体和NH3气体的总压=标准压力Pθ

则HCl气体的分压=PθNH3气体的分压=Pθ

分解温度T需根据范特霍夫等温式即ΔrGm=ΔrGmθ（298K）+RTlnKp

令ΔrGm=0，则得T=－ΔrGmθ（298K）／RTlnKp

=ΔrHmθ（298K）／[ΔrSmθ（298K）－Rln（×）]

=594K

（2）氯化铵固体在斜置的两头开口的玻璃管内分解，分解后较重的HCI气体向下逸出，较轻的NH3气体向上逸出，两气体分压都等于标准压力

NH4CI（s）=NH3（g）+HCI（g）

ΔfHmθ/kJmol-1－－－

SmθJmol-1/k

∴ΔrHmθ＝kJmol-1　　　　ΔrSmθ=285Jmol-1/k

而ΔrHmθ=ΔrHmθ-TΔrSmθ

令ΔrGmθ=0，得T=ΔrHmθ（298K）/ΔrSmθ（298K）=618K

5-34银器与硫化物反应表面变黑是生活中的常见现象。

（1）设空气中H2S气和H2气“物质的量”都只达10-6mol，问在常温下银和硫化氢能否反应生成氢气温度达到多高，银器表面才不会因上述反应而变黑

（2）如果考虑空气中的氧气加入反应，使反应改为2Ag（s）+H2S（g）+1/2O2（g）＝Ag2S（g）+H2O（l），该反应是否比银单独和氢化物反应放出氢气更容易通过计算来回答。

温度对该反应自发性的影响如何

附：

298下的标准生成焓和标准熵分别为－kJmol-1和146Jmol-1/k

解：

（1）2Ag（s）+H2S（g）＝Ag2S（g）+H2

ΔfHmθ/kJmol-10––0

SmθJmol-1/k146

∴ΔrHmθ＝–kJmol-1ΔrSmθ=–Jmol-1/k

而ΔrHmθ=ΔrHmθ–TΔrSmθ令ΔrGmθ=0，得T=ΔrHmθ（298K）/ΔrSmθ（298K）=786K

所以银器与硫化物在低于768K可自发生成氢气，高于786K时，银器表面才不会因上述反应而变黑

（2）2Ag（s）+H2S（g）+1/2O2（g）＝Ag2S（g）+H2O（l）

ΔfHmθ/kJmol–1