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第六章 化学反应热及化学反应的方向和限度首 页难题解析学生自测题学生自测答案章后习题解答难题解析 TOP 例6-1摩尔理想气体从100，0.025m3分别经过以下过程膨胀到100，0.1m3，求各过程的体积功。（1）恒温可逆膨胀；（2）向真空的自由膨胀；（3）恒外压下膨胀到终态；（4）先恒外压膨胀到0.05m3，再恒外压下膨胀到终态。解 （1）恒温可逆膨胀用微积分公式： =-18.314373ln=-4299J（2) 向真空自由膨胀，外压为零，因此体积功W =0（3）恒外压膨胀到终态，应先求算出终态的压力： =31023.7Pa =-31023.7(0.1-0.025)=2326.8J (4) 总的体积功由两部分组成，一是由初态到中间态的体积功W1，二是由中间态到终态的体积功W2，先求出中间态的平衡压力p3。 =62047.3 PaW=W1+W2=-62047.3(0.05-0.025)- 31023.7(0.1-0.05)= -1551.2-1551.2=-3102.4 J通过本例题可知过程的不可逆程度越大，系统对外作的功越少。例6-2标准状态下苯的沸点是353K，其摩尔汽化热Qp是34.75kJ/mol。若标准态下1mol液态苯向真空等温蒸发成苯蒸汽，并假设该蒸汽为理想气体，求此过程的Q、W、U、H、S和G。分析 向真空蒸发为不可逆过程，但由于U、H、S和G为状态函数的变化，只要始态和终态一致就和具体过程没有关系，因此可以设计一个等温可逆来求算。解1mol液态苯等温等压（100kPa）可逆蒸发成苯蒸汽，有G=0等压条件下的气化热即为焓变：=130.75=30.75kJ液苯在沸点下的汽化可以看作是可逆过程，因此气化热也是可逆热。J K-1根据热力学第一定律表达式 ，此处Q为气化热，W为气化过程中的体积功。标准状态下摩尔液态苯的密度为0.88 gmL-1，所以体积V液=88.64mL将苯蒸汽看作理想气体，标准状态下摩尔气态苯的体积V气0.02934m3气化过程中的体积变化 =0.02925 m3气=30750+=30750-1000000.02925=27825J向真空膨胀p外=0，因此体积功 W=0，=27825J由该题的计算可知一定量的固体或液体转变成气体时体积的变化基本可以不考虑原来凝聚态的体积大小，可近似用气体体积代入计算。例6-3乙酰辅酶A的水解是细胞内一个重要的生化反应：乙酰辅酶A(aq)+ H2O(l)=CH3COO-(aq) + H+(aq) + 辅酶A(aq)若该反应在25的（1）求该反应在25的。（2）当CH3COO、辅酶A和乙酰辅酶A的浓度均为10-2mol Kg-1，pH=6.5时分别用和来计算反应的。解（1）=+RTlnH+=-15.48+8.314298.15ln10-7=-15.48-39.93=-55.41用计算反应的： =-15.48+8.314298.15ln=-64.0（2）用计算反应的：=-55.43+8.314298.15ln=-64.0因此不论用还是来计算反应的结果都是一样的，与标准态的选择没有关系。学生自测题 TOP 判断题 选择题 填空题 问答题 计算题一、判断题（对的打，错的打）1所有放热反应在298K和105Pa下自发的。 （ ）2化学反应的Qp和Qv都与反应的途经无关，因此它们也是状态函数。 （ ）3反应CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)的=178.5 kJmol-1，0，又 0，故较高温度时，逆反应为自发，而降低温度有利于反应自发进行。 （ ）4反应的结果如增加了气态物质的量，则该反应S的必是正值。 （ ）5稳定单质的、 均为零。 （ ）二、选择题（将每题一个正确答案的标号选出） TOP 1下列物理量中，不属于状态函数的是 ( )AU BH CS DG EQ2在一绝热箱中装有水，水中有一电阻丝，由蓄电池供电，通电后水及电阻丝的温度均略升高，今以水为系统，其余为环境，则（ ）AQ0,W=0,U0 BQ=0,W0 CQ0,W=0,U0 DQ0，W=0,U0 E Q=0,W=0,U=03下列物质的不等于零的是（ ）ACl2(l) BNe(g) C Fe(s) DC( 石墨) EH2（g） 4一封闭体系，当状态从A到B发生变化时，经历二条任意的途径，则（ ）AQ1=Q2 BW1=W2 CQ1+W1=Q2+W2 DQ1-W1=Q2-W2 EU=0 5系统由A状态到B状态，沿途径I进行时放热100J，环境对系统做功50J；而沿途径进行时系统做功80J，则Q2为 ( )A70J B-70J C30J D-30J E150J 三、填空题 TOP1已知在298.15K时，（石墨）= -393.5kJmol-1, (金刚石) = -395.4kJmol-1，则C(石墨)C(金刚石)的反应热为_ (1) kJmol-1。2H2和O2在绝热钢筒中反应生成水，则在G、S、H、U中等于零的是 （2） 。3与温度T的关系是 （3） ，与温度T的关系是 （4） 。四、问答题 TOP1(1)使某一封闭体系由某一指定的始态变到某一指定的终态。Q、W、Q+W、U中哪些量确定？哪些量不确定？为什么？（2）若在绝热条件下，使体系由某一指定的始态到某一指定的终态，上述各量是否确定？为什么？2热力学中的标准态是怎样规定的？五、计算题 TOP1在298.15K时，下列反应的标准等压反应热已标出，(1) Fe2O3(s) + 3CO(g)2Fe(s) +3CO2(g), = -26.8kJmol-1(2) 3Fe2O3(s) + CO(g)2Fe3O4(s) +CO2(g)，= -58.2 kJmol-1(3) Fe3O4(s) + CO(g)3FeO (s) +CO2(g) ，= -38.4 kJmol-1试利用Hess定律求反应 (4) FeO(s) + CO(g)Fe(s) +CO2(g)在298.15K时的标准等压反应热。2在298.15K时，下列反应的标准等压反应热和标准自由能变已标出，(1)CH4(g) + 2O2(g)CO2(g) +2H2O(l), = -890.3kJmol-1，= -818.1 kJmol-1(2)H2(g) + O2(g)H2O(l)，= -285.8 kJmol-1，= -237.1kJmol-1(3)H2(g)+Cl2(g)HCl(g)，= -92.30 kJmol-1,= -95.3kJmol-1(4)CH3Cl(g) +O2(g)CO2(g)+ H2O(l) +HCl(g)，= -689.67kJmol-1，= -668.28kJmol-1。求反应(5)CH4(g) + Cl2(g)CH3Cl(g) + HCl(g)的、。学生自测答案 TOP一、判断题1 2 3 4 5二、选择题1E 2C 3A 4C 5C 三、填空题1(1)1.9kJmol-1 2（2）H、U 3（3）lg （4） =T四、问答题 (略)五、计算题1根据Hess定律，298.15K时反应（4）的标准等压反应热为： =1/21/61/3 =(-26.8kJmol-1)/2 (-58.2kJmol-1)/6 (-38.4kJmol-1)/3 =9.1 kJmol-12配平各热化学方程式，然后进行组合：（1）-（2）+2（3）-（4）=（5） =-99.73kJmol-1 =-103.32kJmol-1=12.04JK-1mol-1章后习题解答 TOP习题1.（略）2. 计算下列系统内能的变化：(1)系统放出2.5kJ的热量，并且对环境作功500J。(2)系统放出650J的热量，环境对系统作功350J。解 (1) U = Q+W = -2.5kJ+(-50010-3kJ)=-3.0kJ(2) U=-650J+350J=-300J3.（略）4. 已知反应：A+B=C+D =-40.0kJmol-1C+D=E =60.0kJmol-1求下列各反应的。(1)C+D=A+B(2)2C+2D=2A+2B(3)A+B=E解 (1)C+D=A+B =- =40.0kJmol-1(2)2C+2D=2A+2B =2 (-)=80.0kJmol-1(3)A+B=E =+=-40.0 kJmol-1+60.0 kJmol-1=20.0 kJmol-15.在一定温度下，4.0molH2(g)与2.0molO2(g)混合，经一定时间反应后，生成了0.6molH2O(g)，请按下列两个不同反应式计算反应进度。(1)2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)(2)H2(g)+O2(g)=H2O(g)解 t=0 =0 n(H2)=4.0mol n(O2)=2.0mol n(H2O)=0 t=t =t n(H2)=3.4mol n(O2)=1.7mol n(H2O)=0.6mol按(1)式： 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)= = =0.30mol= = =0.30mol= = =0.30mol按(2)式： H2(g)+O2(g)= H2O(g)= = =0.60mol= = =0.60mol= =0.60mol6.（略）7. 已知下列反应的标准反应热：(1)C6H6(l)+7O2(g)=6CO2(g)+3H2O(l) =-3267.6kJmol-1(2)C(gra)+O2(g)=CO2(g) =-393.5kJmol-1(3)H2(g)+O2(g)=H2O(l) =-285.8kJmol-1求下述不直接发生反应的标准反应热：解 6C(gra)+3H2(g)=C6H6(l) =？由6（2）+3（3）（1）得所求的反应 6C(g)+3H2 (g)=C6H6(l)=63=6(-393.5) kJmol-13(-285.8) kJmol-1(-3267.6)kJmol-1= 49.2kJmol-18. 肼N2H4(l)是火箭的燃料，N2O4作氧化剂，其燃烧反应的产物为N2(g)和H2O(l)，若(N2H4，l)=50.63kJmol-1，(N2O4，g)=9.16kJmol-1写出燃烧反应，并计算此反应的反应热。 解 2N2H4(l)+N2O4(g)=3N2(g)+4H2O(l)=0+4(-285.8 kJmol-1)-2(50.63 kJmol-1)+9.16 kJmol-1-1254 kJmol-19已知下列反应在298.15K,标准状态下：(1) Fe2O3(s)+ 3CO(g) 2Fe(s) + 3CO2(g)； rH=-24.8kJmol-1，rG=- 29.4kJmol-1(2) 3 Fe2O3(s)+CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)；rH=-47.2kJmol-1，rG=-61.41kJmol-1(3)Fe3O4(s) + CO(g)3FeO(s)+CO2(g)；rH=19.4kJmol-1， rG=5.21kJmol-1试求(4) FeO(s) + CO(g) Fe(s)+ CO2(g)的r H、 rG和rS。解 反应式（4）可由反应式（1）、（2）和（3）组合求出：-在298.15K,标准状态下，反应： FeO(s) + CO(g) Fe(s)+CO2(g)的r H、 rG和rS分别为 r H=-rH+- =-19.4kJmol-1 + =-11.0 kJmol-1 =- =-6.20 kJmol-1 =-6.20JK-1 mol-110. 甲醇的分解反应为：CH3OH(l)CH4(g)+O2(g)(1)在298.15K的标准状态下此反应能否自发进行？(2)在标准态下此反应的温度应高于多少才能自发进行？解 (1) =-74.6 kJmol-1+0- (-239.2 kJmol-1)=164.6kJmol-1=186.3JK-1mol-1+205.2 JK-1mol-1-126.8 JK-1mol-1=162.1JK-1mol-1=-T=164.6kJmol-1- 298.15K162.1JK-1mol-1=116.3 kJmol-10（或=-50.5kJmol-1+0- (-166.6 kJmol-1)=116.3kJmol-10）25和标准状态下反应不能自发进行。（2）T =1015.42K(742.37)11. 试计算298.15K，标准态下的反应：H2O(g)+CO(g)=H2(g)+CO2(g)的和，并计算298.15K时H2O(g)的。解 = 0+(-393.5kJmol-1)+(-241.8kJmol-1)-(-110.5 kJmol-1)=-41.2kJmol-1= 0+(-394.4kJmol-1)+(-228.6kJmol-1)-(-137.2 kJmol-1)=-28.6kJmol-1=-42.26 JK-1mol-1=+-=130.7 JK-1mol-1213.8 JK-1mol-1197.77 JK-1mol-1（-42.26 JK-1mol-1）=189.1 JK-1mol-112. 计算下列反应在298.15K标准态下的，判断自发进行的方向，求出标准平衡常数。(可用于汽车尾气的无害化)解 （1）= -228.6 kJmol-100=-228.6 kJmol-10正向反应可以自发进行。=1.11040（2）= 287.6kJmol-100=175.2kJmol-1=2.0410-30(3) = 124.5 kJmol-13209.9 kJmol-1=-505.2kJmol-1=3.131088(4) = (-394.4 kJmol-1+0)(-137.2 kJmol-1+87.6 kJmol-1)=-344.8 kJmol-10=2.51060(5) = 2(-394.4kJmol-1)+2(-174.8 kJmol-1)(-910.6 kJmol-1)=-227.8 kJmol-1=8.01103913. 某病人平均每天需要6300kJ能量以维持生命。若每天只能吃250g牛奶(燃烧值为3.0kJ.g-1)和50g面包(燃烧值为12kJ.g-1)，问每天还需给他输入多少升质量浓度为50.0gL-1的葡萄糖(燃烧值为15.6kJg-1)溶液？解 设每天需输入50.0gL-1葡萄糖的体积为V3.0 kJg-1250g+12 kJg-150g+50gL-1V15.6 kJg-1=6300kJV=6.31L14. 糖代谢的总反应为：C12H22O11(s) + 12O2(g) = 12CO2(g)+ 11H2O(l)(1)从附表的热力学数据求298.15 K，标准态下的和。(2)如果在体内只有30%的自由能变转化为非体积功，求在37下，1.00molC12H22O11(s)进行代谢时可以得到多少非体积功。解 (1) =-393.5 kJmol-112+ (-285.8 kJmol-1)11-012-(-2226.1 kJmol-1)-5640 kJmol-1= 213.8JK-1mol-112+70.0 JK-1mol-111-205.2 JK-1mol-112-360.2 JK-1mol-1= 513JK-1mol-1=-T =-5640kJmol-1-298.15K51310-3kJK-1mol-1=-5793 kJ mol-1或 = =-394.4 kJ mol-112+(-237.1 kJ mol-1)11-012-(-1544.6 kJmol-1)=-5796 kJ mol-1(2) ，310.5 =-T =-5640kJmol-1-310.5K51310-3kJK-1mol-1=-5799.11kJ mol-1Wf =(310.5K)30%=-5799.11kJ mol-130%=-1740 kJ mol-115在823K，标准态下下列反应的：(1)CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) (2)CoO(s)+H2(g)=Co(s)+H2O(g) 试求823K，标准态下反应(3)的：(3)CoO(s)+CO(g)=Co(s)+CO2(g)并求反应(2)和(3)的，比较CO(g)和H2(g)对CoO(s)的还原能力谁更强些。解 (2)- (1)为(3) 反应(2) =-28.78 kJ mol-1反应(3) =-42.25 kJ mol-1反应（3）的自由能比（2）更负，所以CO(g)对CoO的还原能力大于H2(g)对CoO的还原能力。16. 在某细胞内ADP和H3PO4浓度分别为3.0mmolL-1和1.0mmolL-1。ATP的水解反应为：在310.15时，=-31.05kJmol-1,试求ATP在细胞内的平衡浓度；如实际上ATP的浓度是10mmolL-1,求反应的。 解 ADP与H3PO4浓度即可以看成是平衡浓度，也可以看成任意时刻浓度。 =-51.97 kJ mol-117. 欲用MnO2与HCl溶液反应制备Cl2(g)，已知该反应的方程式为：(1)写出此反应的标准平衡常数的表达式。(2)根据附表中的热力学数据，求出298.15K标准状态下此反应的及值，并指出此反应能否自发进行？(3)若HCl溶液浓度为12.0molL-1,其它物质仍 为标准态，反应在298K时能否自发进行？解 (1) (2) = (-237.1 kJmol-1)2+0+(-228.11)-(-465.1 kJmol-1)+40+(-131.2 kJmol-1)2= 25.2 kJmol-10在298.15K时标态下不能自发进行。(3) = 25.2 kJmol-1+ 8.314JK-1mol-1298K=-11.77 kJmol-1 0 此反应在298.15K、标准状态下不能自发进行。 (2) 由于此过程的 0，0，升高温度有利于反应自发进行，T即T1015K时，此过程自发进行。Exercises1. (omit)2. (omit)3. Phosgene, COCl2, was used as a war gas during World War 1. It reacts with the moisture in the lungs to produce HCl, which causes the lungs to fill fluid, and CO2. Write an equation of the reaction and compute . For COCl2(g), (g)=-210 kJmol-1Solution COCl2(g) + H2O(l) 2HCl(g) + CO2(g)=2(-95.3kJmol-1) + (-394.4kJmol-1)- -210kJmol-1+(-237.1 kJmol-1)=-137.9kJmol-14. Given the following,4NO(g) 2 N2O(g) + O2(g) = -139.56 kJmol-12 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g) = -69.70kJmol-1calculate for the reaction 2 N2O(g) + 3O2(g) 4 NO2(g).Solution =0.16 kJmol-15. Chloroform, formerly used as aneshetic and now belived to be a carcinogen (cancer- causing agent), has a heat of vaporization =31.4 kJmol-1 . The change, CHCl3(l) CHCl3(g), has =94.2 JK-1mol-1. At what temperature do we expect CHCl3 to boil? .Solution 6. A reaction that can convert coal to methane (the cihef component of natural gas) is C(s) +2 H2(g) = CH4(g)for which = -50.79 kJmol-1 . What is the value of K for the reaction at 25 0C ? Does this value of K suggest that studying this reaction as a mean of methane production is worth pursuing? Solution According to the result, this reaction as a mean of methane production is worth pursuing .7Triglyceride is one of typical fatty acids, its metabolic reaction is :C57H104O6(s) + 80O2(g) = 57CO2(g) +52H2O(l), =-3.3510-4kJ/mol.Calculate the of Triglyceride.Solution The necessary data can be found from table in the addenda of the text book: (CO2 g)=-393.5 kJ/mol (H2O,l)=-285.8 kJ/mol (O2 g)=0So =57 (CO2 g)+52 (H2O,l)- (C57H104O6)-80 (O2 g) (C57H104O6)=57(-