燃烧理论期中考试答案.pdf

燃烧理论 期中考试 燃烧理论 期中考试 考题考题 2010 3 25 姓名姓名 学号 学号 培养单位培养单位 说明 1 开卷考试 要求独立完成 严格遵守 中国科学院研究生院考试纪律 2 总共17 道题目 请将所有答案直接写在试卷上 一 选择题 每题3 分 请选出一个最佳选项 1 目前 燃烧化石燃料占世界总能源的 D A 50 B 60 C 70 D 80 2 对于给定初始温度 300K 的甲烷与空气的混合物 化学反应当量比为1 05 压强为P 定压下的 绝热燃烧温度为Tad 如果只改变压强 仍然为定压下的绝热燃烧 则随着压强P从1atm 到50atm 逐渐增大 定压下的绝热燃烧温度Tad 会 B A 逐渐降低 B 逐渐升高 C 既有可能降低 也有可能升高 3 对于给定初始温度 300K 的甲烷与空气的混合物 其定压下的绝热燃烧温度的最大值出现在当 量比为 1 其定压下的绝热燃烧热释放率的最大值出现在当量比为 2 则有 A A 1 0 1 2 B 1 0 2 1 C 1 1 0 2 D 2 1 0 1 4 对于给定初始温度 300K 的CH4 O2 M 的混合物 其中M 为CO2 N2 He 氦气 中的一种 混合 物各组分摩尔比为CH4 O2 M 1mol 2mol 3mol 当M为CO2时 其定容下的绝热燃烧温度为TCO2 类 似地 当M为N2时 其定容下的绝热燃烧温度为TN2 当M为He时 其定容下的绝热燃烧温度为THe 则有 C A THe TN2 TCO2 B TN2 TCO2 THe C TCO2 TN2 THe D 答案ABC 均不对 5 对于H2 和O2 混合物的反应过程 最初生成自由基 H 或者O 的最主要反应为 B A H2 M 2H M B H2 O2 HO2 H C O2 M 2O M D H2 O2 H2O O 二 简答题 每题5 分 请直接写结果 不写推导过程 要求语句简练 6 一混合物中含有N 种组分 已知各个组分的分子量和质量百分数 第k个组分的分子量和质量百 分数分别为Wk 和Yk 请写出第k个组分的摩尔百分数的表达式 Xk N k kk kk k WY WY x 1 5分分 7 同一温度下 反应CO 0 5O2 CO2 和反应2CO O2 2CO2 的化学反应的平衡常数分别为KP1 和KP2 请写出KP1和KP2间的关系 2 12pp KK 5分分 8 对于单步可逆反应 i N i i N i ii MM 11 如果已知反应速率常数为kf kb 以及所有组分的摩 尔浓度Ci i 1 2 N 请写出第i个组分的浓度变化率 dCi dt N i N i ibifii i CkCk dt dC 11 5分分 9 简述QSSA 准稳态近似 和PE 部分平衡假设 的区别 QSSA针对某个组分 中间产物或自由基 其浓度很低 该组分的净生成率与消耗率近似相 等 PE针对某个反应 正反应与逆反应速率都很大 净反应速率几乎为零 正逆反应速率达到平 衡 5分分 10 甲烷不易着火的原因是什么 即 为什么甲烷跟空气反应生成CO2和H2O很慢 甲基氧化速度很慢 5分分 也可如下回答 CH4氧化 CH3 氧化 这两个反应的活化能很高 反应速率很慢 11 为什么在干燥空气环境中 不含H2O 和H2 CO不易被氧化 反应 CO O2 CO2 O 反应速率很低 生成的自由基O不能激发快速的链支化反应 5分分 如只答对一个原因给 如只答对一个原因给2分 分 12 为了促进CO快速氧化 可以加入少量的H2O 或H2 此时CO主要通过哪个反应被氧化 请写出 该化学反应 CO OH CO2 H 5分分 kf kb 三 简答题 请写出推导过程和最终结果 13 对于给定甲烷 空气混合物 0 5mole CH4 1mole O2 3 76mole N2 其初始温度 压力和密度分别 为Tu Pu 和 u 其定压情境下的绝热燃烧温度 压力和密度分别为Tad Pad和 ad 其定容情境下的 绝热燃烧温度 压力和密度分别为Tad Pad 和 ad 共8 分 1 比较Tad 和Tad 的大小 并说明原因 2 分 Tad Tad 1分分 因为定容时不需要对外做功 而定压时需要对外做功 1分分 2 假设反应前后所有物质的总摩尔数不变 混合物的平均分子量不变 如果已知Tu Tad和Tad 则Pad Pu Pad Pu ad u ad u 2 分 Pad Pu 1 0 5分分 Pad Pu Tad Tu 0 5分分 ad u Tu Tad 0 5分分 ad u 1 0 5分分 3 定义温度变化 T Tad Tu 随着初始温度Tu的增大 T 会变大还是变小 为什么 4 分 随着Tu增大 T会减小 1分分 因为 温度升高 比热容cp升高 T会减小 1分分 温度升高 化学平衡朝吸热方向移动 放热量减小 T会减小 2分分 14 已知两步反应CBA kk 11 21 的化学反应速率常数k1 1 k2 1 以及各个组分的初始 浓度 CA t 0 1 CB t 0 1 CC t 0 1 共8 分 1 列出常微分方程 并解出组分B 的摩尔浓度随时间的变化关系 CB t 3 分 AA A CCk dt dC 1 及初始条件 CA t 0 1 tk A eC 1 B tk BA B CkekCkCk dt dC 2121 1 B tk B Ckek dt dC 21 1 或者 B t B Ce dt dC 1分分 B B Ck dt dC 2 及初始条件CB t 0 0 的解为 tk B aeC 2 因此假设 tk B etatC 2 B tk B tk CkekCketa 212 12 tktk ekta 12 1 其初始条件 a t 0 0 1 12 12 1 tktk e kk k ta tktk B ee kk k tC 21 12 1 代入k1 k2值得 1 tt B ee tC 2分分 2 假设 1 利用QSSA 准稳态近似 求出组分B的浓度 tCB 3 分 QSSA 对B 0 B t B Ce dt dC 1分分 t B etC 2分分 3 证明在 1时 题 2 中解出的近似解趋近于题 1 中解出的精确解 即 tCB CB t 2 分 ttttt eeeee tC eee tC B ttt B 11 2分分 15 定容定温 T 1500K 情况下 一密闭容器中有以下可逆反应A 2B 该容器不含物质A和B以 外的其他物质 A和B均为气态 该化学反应的正反应 A 2B 反应速率常数为kf 逆反应 A 2B 的反应速率常数为kb 假设初始时刻 t 0 物质A和B的摩尔浓度分别为CA t 0 0 A C CB t 0 0 实验中测出在该化学反应达到平衡时 即t 时 物质A的摩尔浓度为 E AA CtC 如果已知 kf 0 A C和 E A C 共12 分 1 请推导出计算kb的表达式 5 分 假设t时刻 A的浓度为CA t 定义 tCCx AA 0 则根据反应进程有 0210 dtdCdtdC BA 222 0 tCCxtC AAB 22 0 tCCtC AAB E AAB CCtC22 0 2分分 在达到化学平衡时 t 正反应速率 逆反应速率 2 B tCktCk bAf 2分分 202 4 E AA E AfAf b CC Ck tC tCk k B 1分分 2 请推导出物质A的摩尔浓度随时间变化的表达式 CA t 7 分 20 0 2 4 2 xkxCk dt dx x t xC dt dx dt dC xCC CkCk dt dC bAf B A AA BbAf A 0 0 时 初始条件 1分分 00 4 4 4 20 0 yt yykCkk dt dy k y CtCxky fAfb b AAb 时 定义 方程 04 02 Afbf Ckkk 的两个根是 0 2 16 0 2 16 02 2 02 1 Afbff Afbff Ckkkk Ckkkk 根据上问 20 4 E AA E Af b CC Ck k E AA E AAf E AAAf E AA E Af E AA E AA ff E AA E AA f E AA E AA ffAfbf CCCCk CCCkCCCk CC CC kk CC CC k CC CC kkCkkk 00 21 00 2 0 1 0 0 21 20 20 2 20 0 2202 2 4 16 00000 21 21 21 21 21 0 0 0 00 2 2 0 21 1 1 1 00 21 时 检验 16 已知以下四个反应的反应速率常数 共12 分 MClMClClClHClHCl HHClHClMClClMCl 22 2 43 2 2 1 kk kk 1 适当采用QSSA 请推导出以下关系 4 分 22 HCl HCl 50 4 1 2 2 k k k dt d 假设 Cl和H处于稳态 则有 0 32 HClHCl H 22 kk dt d 1分分 022 2 4321 MClHClHClMCl Cl 222 kkkk dt d 1分分 由上述方程可得 50 4 1 2 ClCl k k 1分分 22222 HClHClHClHCl HCl 50 4 1 2232 22 k k kkkk dt d 1分分 2 如果向混合物中添加NCl3 则需要考虑以下反应 R5ClNClClNCl 223 5k 请分别推导出dtd HCl在k5 反应R5非常迅速 和k5 0 反应R5非常缓慢 时的表达式 8 分 加入 R5 后 稳态关系变为 0 32 HClHCl H 22 kk dt d 022 5 2 4321 3222 NClClMClHClHClMCl Cl kkkkk dt d 1分分 因此 M ClMNClNCl Cl 233 4 2 41 2 55 4 16 k kkkk 3分分 在R5快速反应速率极限k5 M NClClMNClNCl M NClClMNClNCl Cl 3233 3233 4 2 5 2 4155 4 2 5 2 4155 4 81 4 161 k kkkkk k kkkkk 即 3 2 NCl ClM Cl 5 1 2 k k 2分分 因此有 3 22 2 NCl HClM HCl HCl 5 21 2 4 2 k kk k dt d 1分分 在反应R5非常缓慢时 k5 0 50 4 1 2 ClCl k k 因此 222 HClHCl HCl 50 4 1 22 22 k k kk dt d 1分分 四 综述题 共10 分 17 定性画出H2 O2混合物的在P T 压力 温度 图上的爆炸极限曲线 1分 简要解释三个爆炸极 限的化学反应机制 6分 推导出控制第二爆炸极限的关系式2 k1 k9 M 3 分 提示 推导2 k1 k9 M 时可能要用到的化学反应有 只考虑正反应 忽略逆反应 MHOMOHOHHHOH OHHHOOHOOH 222 9 2 3 2 2 1 2 kk kk 1分 初始激发反应 反应反应 H10 的活化能最低 反应最快 的活化能最低 反应最快 H10 为所有条件下最重要的初始激发反应 为所有条件下最重要的初始激发反应 H5 仅在高 温下才为重要的激发反应 仅在高 温下才为重要的激发反应 H 生成后导致的链式反应为 生成后导致的链式反应为 第一爆炸极限 第一爆炸极限 2分 低温 低压条件下低温 低压条件下 爆炸不能发生 爆炸不能发生 低温低温 H1吸热反应吸热反应 不容易进行不容易进行 低压低压 自由基碰撞减小 自由基碰撞减小 自由基能快速地扩散到容器的壁面自由基能快速地扩散到容器的壁面 而被销毁而被销毁 H O OH 壁面销毁壁面销毁 随着压力随着压力 碰撞频率 碰撞频率 减缓了自由基的壁面销毁减缓了自由基的壁面销毁 随着穿过第一爆炸界限随着穿过第一爆炸界限 链分支反应链分支反应 H1 H2 速率速率 壁面销毁反应速率壁面销毁反应速率 导致爆炸 导致爆炸 第二爆炸极限 第二爆炸极限 2分 进一步增加压力 三体反应 进一步增加压力 三体反应 变得越来越重要变得越来越重要 最后取代最后取代H1成为成为H和和O2的主导反应的主导反应 相对不活泼的自由基相对不活泼的自由基HO2可以在经历多次碰撞可以在经历多次碰撞 最后扩散到壁面销毁 最后扩散到壁面销毁 这是自由基链式反应过程一个有效的销毁步骤这是自由基链式反应过程一个有效的销毁步骤 因此 因此 H9被认为是链终止反应 被认为是链终止反应 链反应链反应H1 H3由于由于H9的作用而崩溃的作用而崩溃 在链增长反应在链增长反应 H1 H3 和自由基的销毁反应和自由基的销毁反应H9之间之间 争夺争夺H自由基的竞争自由基的竞争 决定了第二爆炸界限决定了第二爆炸界限 第三爆炸极限 第三爆炸极限 2分 随着压力随着压力 HO2 这两个反应频繁发生这两个反应频繁发生 超过了超过了HO2的稳定性的稳定性 HO2 不是扩散到壁面不是扩散到壁面 而是同而是同H2 反应反应 产生自由基产生自由基 H O OH 再次产生爆炸再次产生爆炸 此时 此时 H9相当于链传递反应相当于链传递反应 高温时高温时 900oC 更多的自由基产生 更多的自由基产生 此时 此时 H9只是链传播过程的一部分