大学化学课后习题答案

文档鉴赏 第一章 化学反应热 教学内容 1 系统 环境等基本概念 2 热力学第一定律 3 化学反应的热效应 教学要求 掌握系统 环境 功 热 恒容反应热和恒压反应热 状态函数 标准态 标准生成焓 反应进度等概念 熟悉热力学第一定律 掌握化学反应标准焓变的 计算方法 知识点与考核点 1 系统 体系 被划定的研究对象 化学反应系统是由大量微观粒子 分子 原子和离子等 组成的宏观集合体 2 环境 外界 系统以外与之密切相关的部分 系统和环境的划分具有一定的人为性 划分的原则是使研究问题比较方便 系统又可以分为敞开系统 系统与环境之间既有物质交换 又有能量交换 封闭体系 系统与环境之间没有物质交换 只有能量交换 孤立系统 体系与环境之间没有物质交换 也没有能量交换 系统与环境之间具有边界 这一边界可以是实际的相界面 也可以是人为 的边界 目的是确定研究对象的空间范围 3 相 系统中物理性质和化学性质完全相同的均匀部分 在同一个系统中 同一个 相 可以是连续的 也可以是不连续的 例如油水混合物中 有时水是连续相 有时 油是连续相 4 状态函数 文档鉴赏 状态是系统宏观性质 T p V U 等 的综合表现 系统的状态是通过这 些宏观性质描述的 这些宏观性质又称为系统的状态函数 状态函数的特点 状态函数之间往往相互制约 例如理想气体状态方程 式中p V n T 之间互为函数关系 其变化量只与系统的始 末态有关 与 变化的途径无关 5 过程 系统状态的变化 例如 等容过程 等压过程 等温可逆过程等 6 途径 完成某过程的路径 若系统的始 末态相同 而途径不同时 状态函数的 变量是相同的 7 容量性质 这种性质的数值与系统中的物质的量成正比 具有加合性 例如 m 质量 V U G 等 8 强度性质 这种性质的数值与系统中的物质的量无关 不具有加合性 例如 T 密 度 p 压强 等 9 功 W 温差以外的强度性质引起的能量交换形式 体 有 环境对系统做功 其符号为 反之为 功不是状态函数 是过程 量 因为功总是与系统变化的途径有关 例如盐酸与锌单质在烧杯中发生氧化还 原反应时会有热效应 但是系统并不做功 W有 0 但是 若将其组成原电池 系统就可以对环境做电功 W有 0 又例如一个带活塞的汽缸膨胀 分别经 过 向真空中膨胀 向大气中等外压膨胀 设活塞的两个过程的始 末状 态相同 则 W体 1 0 而 W体 2 p环境 V2 V1 0 10 热 Q 系统与环境之间因温差引起的能量交换形式 系统吸收热量 热的符号为 系统放热为 热是与变化途径有关的物理量 任何一个系统只能说 它在某过程中吸收或放出多少热量 不能说它本身含有多少热量 所以热不是状 文档鉴赏 态函数 11 化学反应热效应 反应热 生成物与反应物的温度相同时 化学反应过程中放出或吸收的热量 12 等压热效应 Qp 封闭系统 在等温 等压 不做有用功时的反应热 等压过程 系统的始态压力和终态压力与环境压力相等 p 始态 p 终态 p 环境 A 常数 而中间过程的压力可以有所 变化 在专业的化学热力学书中 等压与恒压是有区别的 恒压过程是指系统 的压力在整个过程中与环境压力相等并且恒定不变 p 系统 p 环境 A 常数 13 热力学第一定律 U Q W 条件 封闭系统 U 热力学能 是状态函数 U 是热力 学能的变化量 U 不是状态函数 14 焓 H U pV 焓是状态函数 是复合状态函数 焓变 H QP 条件 封闭系统 等压 不做有用功 H 不是状态函 数 上式说明 在一定条件下 状态函数 焓 H 的变化量 H 与 特定 等压 过程的反应热 等压热 QP 在数值上相等 但不能因此就认为热是状态 函数 15 盖斯定律 一个总反应的 rHm 等于其所有分步 rHm B的总和 16 热力学标准态 纯理想气体热力学标准态是指该气体处于标准压力 p 100kPa 下的状 态 混合理想气体中任一组分的标准态是指该组分气体的分压为 p 时的状态 纯液态 或纯固态 物质的标准态是指压力为 p 下的纯液体 或纯固体 的状 态 溶液的标准态选 1 mol L 1 文档鉴赏 热力学 标准态 与标准状况的含义是不相同的 因为在研究气体定律时 所规定的气体 标准状况 是指气体的压力为标准大气压 p 101 325Pa 和 温度为 0 下所处的状况 而热力学 标准态 是为了理论研究的需要 给物质 规定的作为参比的标准压力 p 100kPa 理想气体的分压为p 理想溶液中 溶质的浓度为 1mol L 1 可见 标准态 并未对温度作出规定 物理化学手册 的热力学数据多为 298 15K 下的测定值 并不是说 标准态 包含 25 298 15K 这一条件 17 标准摩尔生成焓 fHm 在一定温度 标准状态下 由最稳定单质生成 1mol 纯物质时反应的焓变 18 化学反应标准焓变 rH m 设某化学反应式为 aA fF gG dD 则 rH m g fH m G d fH m D a fH m A f fH m F B BmfB H 注意 计量系数 物质的聚集状态 例如 O H2 g O g H2 222 l 查表 kJ mol 1 0 0 285 83 mfH rH m 2 285 83 0 2 0 571 66 kJ mol 1 19 反应进度 设某化学反应式为 aA fF gG dD B B 0B B 反应物或产物 mol B B B BB nnn 0 计量系数 对反应物 为负数 也为负数 对生成物为正 B n B B 数 也为正数 0 n 文档鉴赏 D D G G F F A A v dn v dn v dn v dn d 1mol 反应表示各物质按给定的化学计量方程式进行的完全反应 在使用反应进度的概念时 必须指明对应的反应计量方程式 例如对反应 1 mol 表示 1 mol N2 与 3mol H2 反应生成 2 mol NH3 322 NH2H3N 而对 1 mol 表示mol N2与molH2 反应生成 322 NHH 2 3 N 2 1 2 1 2 3 1molNH3 思考题与习题解答 1 说明下列符号的含义 T T T V Q mrH mrH mfH 答答 等容反应热 T 温度 T 下 反应的摩尔焓变 数值等于 V Q mrH 等压反应热 T 温度 T 下某物质的标准摩尔生成焓 反应进度 mfH 2 盖斯定律的使用条件 下列哪种说法正确 1 等压 2 等容 3 等温 等容或等温 等压 4 等温 不做有用功 等容或等压 答答 正确答案为 4 3 热力学标准态的含义 为什么要确定热力学标准态 答答 纯理想气体热力学标准态是指该气体处于标准压力 p 100kPa 下的状 态 混合理想气体中任一组分的标准态是指该组分气体的分压为 p 时的状态 纯液态 或纯固态 物质的标准态是指压力为 p 下的纯液体 或纯固体 的状 态 溶液的标准态选 1 mol L 1 因为化学反应中的能量以及状态函数改变是受 许多条件 如温度 压力 浓度 聚集状态等 的影响 为了比较方便 国际上 规定了物质的热力学标准态 4 简述照明弹中的铝 镁 硝酸钠和硝酸钡等物质各起什么作用 文档鉴赏 答答 金属铝 镁在燃烧时 可以放出大量热 601 7 kJ mol 1 MgO mfH 1675 69 kJ mol 1 产生千度以上的高温 而反应放出的热量能使 32O Al m H 硝酸盐分解产生 O2 又加速镁 铝的燃烧反应 使照明弹更加绚丽夺目 在其中铝和镁作为还原剂 氧气 硝酸钠和硝酸钡等作氧化剂 5 通过计算说明 氧 乙炔焰为什么可以用于金属焊接和切割 答答 5 2 O2 C2H2 2CO2 H2O g kJ mol 1 0 226 7 393 5 241 8 mfH rH f H 生成物 反应物 m m mfH rH 2 393 5 241 82 226 7 0 1255 5 kJ mol 1 m 因反应放出大量热 可以熔化金属 所以可用于焊接或切割金属 6 通过计算说明 为什么称硼的氢化物 硼烷 硅的氢化物 硅烷 是高 能燃料 已知 B2H6 g 的 36 56 kJ mol 1 B2O3 s 的 m H f m H f 1132 55 kJ mol 1 SiH4 g 的 34 31 kJ mol 1 SiO2 s 的 mfH 910 7kJ mol 1 m H f 解解 B2H6 g 3O2 g B2O3 s 3H2O g kJ mol 1 36 56 0 1132 55 241 82 mfH rH 1132 55 3 241 82 36 56 0 1894 57 kJ mol 1 m SiH4 g 2O2 g SiO2 s 2H2O g kJ mol 1 34 31 0 910 7 241 82 mfH rH 910 7 2 241 82 34 31 0 1427 25 kJ mol 1 m 上述两个反应都放出大量热 因此 B2H6 g 和 SiH4 g 可以作为高能燃料 7 已知下列反应的化学反应热 文档鉴赏 C 石墨 O2 g CO2 g rHm 1 393 5 kJ mol 1 H2 g 1 2 O2 g H2O l rHm 2 285 8 kJ mol 1 C2H6 g 7 2 O2 g 2CO2 g 3H2O l rHm 3 1559 8 kJ mol 1 不用查表 计算由石墨和氢气化合生成 1mol C2H6 g 反应的 rHm 解解 根据 Hess 定律 rHm C2H6 2 rHm 1 3 rHm 2 rHm 3 所以 rHm C2H6 2 393 5 3 285 8 1559 8 84 6 kJ mol 1 8 在用硝石制硝酸时 下列反应同时发生 1 KNO3 s H2SO4 l KHSO4 s HNO3 g 2 2KNO3 s H2SO4 l K2SO4 s 2HNO3 g 制得的硝酸中 80 是由反应 1 产生的 20 是由反应 2 产生的 问在 25 制取 1kgHNO3 g 时将放出多少热量 已知 KNO3 H2SO4 KHSO4 HNO3 g K2SO4的标准生成焓依次为 494 63 813 99 1160 6 135 6 1437 79 kJ mol 1 解解 KNO3 s H2SO4 l KHSO4 s HNO3 g 方程 1 kJ mol 1 469 63 813 99 1160 6 135 6 mfH rH f H 生成物 反应物 m m mfH rH 1 1160 6 135 6 494 63 813 99 1344 36 kJ mol 1 m 2KNO3 s H2SO4 l K2SO4 s 2HNO3 g 方程 2 kJ mol 1 469 63 813 99 1437 79 135 6 mfH rH 2 1437 79 2 135 6 2 469 63 813 99 1041 32 m kJ mol 1 HNO3的相对分子量为 63 1 kg HNO3的物质的量 n 15 9 mol 63 1000 文档鉴赏 制取 1 kg HNO3 g 时的反应热为 14 kgkJ1004 2 32 1041 9 15 2036 1344 9 15 80 9 甘油三油酸脂是一种典型的脂肪 当它在人体内代谢时发生下列反应 C57H104O6 s 80 O2 g 57CO2 g 52H2O l 该反应的 3 35 10 4 kJ mol 1 问如以当代男大学生平均每人每日耗 mrH 能 10125 3kJ 且以完全消耗这种脂肪来计算 每天需消耗多少脂肪 解解 每天消耗脂肪物质的量 mol 302 0 33500 3 10125 3 10125 mrH n 该脂肪相对分子量为 884 每天消耗脂肪的质量为 0 30 884 267 0 g 10 葡萄糖 C6H12O6 完全燃烧反应的方程式为 C6H12O6 s 6O2 g 6CO2 g 6H2O l 该反应的 2820 kJ mol 1 当葡萄糖在人体内氧化时 上述反应 mrH 热的约 40 可用于肌肉活动的能量 试计算一匙葡萄糖 以 3 8g 计 在人体内氧 化时 可获得的肌肉活动能量 解解 葡萄糖相对分子量为 180 一匙葡萄糖 3 8g 的物质的量为 3 8 180 0 021 mol 一匙葡萄糖被氧化放出的热量为 0 021 0 021 2820 59 2 kJ mrH 可获得的肌肉活动能量 59 2 40 23 7 kJ 11 辛烷是汽油的主要成分 根据附录的有关数据计算下列两个反应的热效 应 并从计算结果比较可以得到什么结论 已知 C8H18 l 218 97 m H f kJ mol 1 1 完全燃烧 C8H18 l O2 g CO2 g H2O l 2 不完全燃烧 C8H18 l O2 g C s H2O l 解解 据附录查得下列物质 C8H18 l O2 g CO2 g C s H2O l 的标准生成焓 变 分别为 218 97kJ mol 1 0 393 5 kJ mol 1 0 285 83 kJ mol 1 文档鉴赏 rH f H 生成物 f H 反应物 m m m C8H18 l 25 2 O2 g 8CO2 g 9H2O g kJ mol 1 218 97 0 393 5 241 82 mfH rH 1 8 393 5 9 285 83 0 218 97 5105 41 kJ mol 1 m C8H18 l 9 2 O2 g 16C s 9H2O g kJ mol 1 218 97 0 0 285 83 mfH rH 2 0 9 285 83 0 218 97 2395 35 kJ mol 1 m rH 1 rH 2 m m 结论 完全燃烧放热量大 第二章 化学反应进行的方向和限度 教学内容 1 焓变与变化方向 2 熵变与变化方向 3 吉布斯函数变与变化方向 4 化学反应的限度 化学平衡 教学要求 理解标准熵 标准生成吉布斯函数变 标准平衡常数等有关概念 掌握反应 的熵变与吉布斯函数变的求算方法 熟悉等温等压条件下化学反应进行方向的判 断方法 掌握吉布斯方程及转化温度的计算方法 掌握标准平衡常数 的 K 表达和与标准吉布斯函数变的关系及化学平衡的相关计算 了解影响化学平 K 衡移动的有关因素 知识点与考核点 1 熵 S 系统内微观质点混乱度的量度 k 是 Boltzmann 常数 是微 lnkS 文档鉴赏 观状态数 与混乱度密切相关 熵是状态函数 2 热力学第三定律 在 0K 时 任何纯物质 完整晶体的绝对熵为 0 固体在 0K 时 任何物质 的 热运动停止 只有一种微观状态 即 1 3 标准摩尔熵 m S 一定温度下 1mol 纯物质在标准情况下的规定熵 人为规定 处于标准条件下的水合 H 离子的标准熵为零 其它离子的标准 熵为其相对值 4 影响熵的因素 相同物质 Sg Sl Ss 分子数越多 分子量越大 物质结构越复杂 熵越大 固体溶解于水 熵增加 而气体溶解于水 熵减小 温度越高 熵越大 5 反应熵变的计算 对化学反应 aA f F gG dD gS m G dS m D aS m A fS m F mrS B B mBS 注意 计量系数 物质的聚集状态 6 熵变与化学反应方向 等温等压条件下 熵变大于零 0 有利于变化过程自发进行 但S 不能单独作为判断化学反应方向的标准 7 焓变与化学反应方向 等温等压条件下 焓变小于零 0 有利于变化过程自发进行 但H 不能单独作为判断变化过程方向的标准 8 吉布斯函数 文档鉴赏 为状态函数 为复合函数 TSHG G 9 吉布斯函数变 恒温 恒压下反应的推动力 不是状态函数 STHG G 10 标准摩尔生成吉布斯函数 fGm 在一定温度 标准状态下 由最稳定单质生成 1mol 纯物质时反应的标准吉 布斯函数变 11 化学反应标准吉布斯函数变 的计算 mrG 对化学反应 aA f F gG dD g fGm G d fGm D a fGm A f fGm F mrG B f B Bm G 注意 计量系数 物质的聚集状态 12 G 与 S H及T 的关系 H S 反应自发性 G H T S 1 2 放热 吸热 熵增 熵减 自发 非自发 3 4 不定 升高温度 G由 变 利于自发 不定 升高温度 G由 变 不利于自发 13 等温 等压 判断变化过程自发进行方向的判据 G 0 过程正向自发进行 G 0 处于平衡状态 G 0 过程逆向自发进行 14 与的区别 mrG mrG 文档鉴赏 是指参加反应物系中各物质处于任意状态下 反应进度 1 时的吉 mrG 布斯函数变 由它判断 等温等压 实际条件下系统自发变化过程方向的判据 0 或 0 反应不能自发进行 但其平衡常数并不等于零 mrG 答答 0 只能说明在标准态下 过程不能自发进行 在非标准态下 mrG 而且 又不是很大时 不能用于判断反应方向 可逆反应平衡常数都 mrG 不应为零 2 选择题 将正确答案的标号填入空格内 1 下列物理量属于状态函数的是 T p V W H H S G 答答 正确答案为 2 生产水煤气的反应为 C s H2O g CO g H2 g 该反应的 131 3 kJ mol 1 则该反应是 系统 H 0 S 0 mrH 低温下正向不自发 高温下正向自发 低温下正向自发 高温下正向不 自发 任何温度下正向都自发 任何温度下正向都不自发 答答 正确答案为 3 不用查表 将下列物质按标准熵值由大到小的顺序排列 m S 1 Si s 2 Br l 3 Br g 答答 3 2 1 m S m S m S 文档鉴赏 4 给出下列过程的 的正负号 或零 mrG mrH mrS 1 电解水生成 H2和 O2 2 H2O g 273K H2O l 3 H2O l 268K H2O s 答答 各变化量的符号如下表所示 mrG mrH mrS 1 2 3 5 SiC 是耐高温材料 问以硅石 SiO2 为原料 在标准状态和 298K 时能 否制得 SiC 解解 SiO2 C SiC O2 kJ mol 1 856 67 0 62 76 0 mfG 0 1 molJk91 793 67 856 76 62 mrG 结论 不能在此条件下制备 SiC 6 由二氧化锰制备金属锰可采取下列两种方法 1 MnO2 s 2H2 g Mn s 2H2O g 37 22 kJ mol 1 94 96J mol 1 K 1 mrH mrS 2 MnO2 s 2 C s Mn s 2CO g 299 8 kJ mol 1 363 3J mol 1 K 1 mrH mrS 试通过计算确定上述两个反应在 298K 标态下的反应方向 如果考虑工作 温度越低越好 则采用那种方法较好 解解 1 MnO2 s 2H2 g Mn s 2H2O g rG rH T r S 37 22kJ mol 1 298 94 96 10 3 8 922 kJ mol 1 m m m 文档鉴赏 2 MnO2 s 2C s Mn s 2CO g rG rH T rH 299 8 298 363 3 10 3 191 5 kJ mol 1 m m m 上述两个反应的均大于 0 所以 298K 100 kPa 下反应都不能自发正 mrG 向进行 K 95 391 1096 94 22 37 3 1 mr mr S H T转 K 2 825 10 3 363 8 299 T 3 2 转 答答 若考虑工作温度越低越好 易采用方程 1 的方法 7 汞的冶炼可采用朱砂 HgS 在空气中灼烧 2HgS s 3O2 g 2HgO s 2SO2 g 而炉中生成的 HgO 又将按下式分解 2HgO s 2Hg g O2 g 试估算炉内的灼烧温度不得低于多少时 才可以得到 Hg g 已知 HgS s HgO s 的分别是 58 2 kJ mol 1 90 83 mfH kJ mol 1 分别是 50 6 58 56 kJ mol 1 分别是 82 4 mfG m S J mol 1 K 1和 70 29 J mol 1 K 1 解解 查表得 2HgS s 3O2 2HgO 2SO2 kJ mol 1 58 2 0 90 83 297 04 mfH J mol 1 K 1 82 4 205 03 70 29 248 11 m S 1 molJk34 6590 2 58 2 83 90 2 04 297 2 mrH 11K molJ09 143 4 82203 205329 70211 2482 mrS 0 低温自发 高温非自发 mrH mrS 文档鉴赏 K 7 4607 1009 143 32 659 3 mr mr S H T转 结论 1 当升温至 T 4607 7K 时 反应由自发转变为非自发 2HgO s 2Hg l O2 g kJ mol 1 90 83 61 32 0 mfH J mol 1 K 1 70 29 174 85 205 03 m S 1 molkJ 0 30483 902032 612 mrH 11K molJ15 41429 70203 205185 1742 mrS 0 低温非自发 高温自发 mrH mrS K29 734 1015 414 0 304 3 mr mr S H T转 结论 当升温至 T 740 29K 时 反应由非自发转变为自发进行 所以 当 740 29K T 4607 77K 时 才可得到 Hg g 8 汽车尾气中含有 CO 能否用热分解的途径消除它 已知热分解反应为 CO g C s O2 g 该反应的 110 5 2 1 mrH kJ mol 1 89J mol 1 K 1 mrS 解解 rG rH T rS 此反应 rH 0 rS 0 rG m m m m m 永远大于零 说明此反应在任何温度下反应都不能自发进行 又因 m 0 很小 9 5 10 25 平衡产率很低 1 molkJ173 0K 298 mrG K 故不能用热解法除 CO 9 在 298K 100kPa 条件下 金刚石和石墨的标准熵分别为 2 45 J mol 1 K 1和5 71 J mol 1 K 1 它们的燃烧反应热分别为 395 40 kJ mol 1和 393 51 kJ mol 1 试求 文档鉴赏 1 在 298K 100kPa 条件下 石墨变成金刚石的 mrG 2 说明在上述条件下 石墨和金刚石那种晶型较为稳定 解解 已知 S 石 5 71J mol1 K 1 S 金 2 45 J mol 1 K 1 m m C 石 O2 g CO2 g rH 1 39351 kJ mol 1 m C 金 O2 g CO2 g rH 2 395 40 kJ mol 1 m 方程 1 方程 2 得方程 3 C 石 C 金 根据 Hess 定律 该反 rH 3 rH 1 rH 2 393 51 395 40 1 89 kJ mol 1 m m m rS 2 45 5 71 3 26 J mol 1 K 1 m rG rH T rS 1 89 298 3 26 10 3 2 86 kJ mol 1 m m m rG 0 298K 100kPa 下 石墨较稳定 m 10 计算合成氨反应 N2 g 3H2 g 2NH3 g 在 673K 时的标准平 衡常数 并指出在 673K 下列三种情况下反应向何方向进行 1 p NH3 304kPa p N2 171kPa p H2 2022kPa 2 p NH3 600kPa p N2 625kPa p H2 1875kPa 3 p NH3 100kPa p N2 725kPa p H2 2175kPa 解解 首先用热力学数据 求出 K 查表得 N2 g 3H2 g 2 NH3 g rH kJ mol 1 0 0 46 11 m S J mol 1 K 1 191 50 130 57 192 34 m rH 2 46 11 92 22 kJ mol 1 m rS 2 192 34 3 130 57 191 50 198 53 J mol 1 K 1 m rG 673K rH T rS 92 22 198 53 10 3 m m m 文档鉴赏 41 39kJ mol 1 K 1 7 397 Kln RT Gm r 67310314 8 39 41 3 K 6 13 10 4 再求出各条件下的 与进行比较 P J K 1 J1 6 5 10 4 J1 K 反应逆向进行 3 2 2022171 304 pp p 在计算压力商 J 时 各项一定要用相对压力 而且注意分子和分母的单位要 一致 在此单位用的是 kPa 得出的结果 J 与 K进行比较后 做出判断 2 J2 8 7 10 4 J2 K 逆向进行 3 2 1875625 600 pp p 3 J3 1 0 10 5 J3 K 正向进行 3 2 2175725 100 pp p 11 试通过计算说明 1000K 时能否用碳将 Fe2O3 Cr2O3和 CuO 中的金属还 原出来 解解 1 2Fe2O3 3C 4Fe 3CO2 fH kJ mol 1 824 25 0 0 393 51 m S J mol 1 K 1 87 40 5 74 27 28 213 64 m rH 3 393 51 2 824 25 467 97 kJ mol 1 m rS 3 213 64 4 27 28 3 5 74 2 87 40 558 02 J mol 1 K 1 m rG rH T rS 467 97 1000 558 02 10 3 1025 99 m m m kJ mol 1 rG 0 1000K 可用 C 还原出 Fe m 2 2Cr2O3 3C 4Cr 3CO2 文档鉴赏 fH kJ mol 1 1139 72 0 0 393 51 m S J mol 1 K 1 81 17 5 74 23 77 213 64 m rH 3 393 51 2 1139 72 1098 91 J mol 1 m rS 3 213 64 4 23 77 3 5 74 81 17 2 556 44 J mol 1 K 1 m rG 1098 91 1000 556 44 10 3 1655 35 J mol 1 m rG 0 不能用 C 还原出 Cu m 12 已知 SiF4 g SiCl4 g 的标准生成吉布斯函数 分别为 mfG 1506 和 569 8 kJ mol 1 试用计算说明为什么 HF g 可以腐蚀 SiO2 而 HCl g 则不能 解解 4HF g SiO2 g SiF4 g 2H2O 1 fG kJ mol 1 273 22 856 67 1506 237 18 m rG 2 237 18 1506 856 67 4 273 22 30 81 kJ mol 1 m rG 0 不能正向进行 HCl 不能被用来腐蚀 SiO2 m 13 试通过计算说明 为什么用 BaCO3热分解制取 BaO 反应温度要在 1580K 左右 而将 BaCO3与碳黑或碎炭混合 按下式反应 BaCO3 s C s BaO s 2CO g 则所需温度可显著降低 已知 BaCO3 s 和 BaO s 的分别是 1216 mfH kJ mol 1 548 1 kJ mol 1 分别是 112 J mol 1 K 1和 72 09J mol m S 1 K 1 解解 BaCO3 BaO CO2 fH kJ mol 1 1216 548 1 393 5 m S J mol 1 K 1 112 72 09 213 64 m rH 393 5 548 1 1216 274 4 kJ mol 1 m rS 213 64 72 09 112 173 73 J mol 1 K 1 m 0 低温非自发 高温自发 mrH mrS 转化温度 T 1580K 73 173 1000 4 274 mr mr S H BaCO3 C BaO 2CO fH kJ mol 1 1216 0 548 1 110 53 m S J mol 1 K 1 112 5 74 72 09 197 56 m 文档鉴赏 rH 2 110 53 548 1 0 1216 446 84 kJ mol 1 m rS 2 197 56 72 09 5 74 112 349 47 J mol 1 K 1 m 转化温度 T 1278 K mr mr S H 47 349 100084 446 结论 加还原剂后反应所需的温度降低 第三章 化学反应速率 教学内容 1 化学反应速率 2 影响化学反应速率的因素 教学要求 掌握化学反应速率的表示方法 熟悉元反应 反应级数 反应速率常数 半 衰期 有效碰撞 活化分子 活化能等概念 熟悉化学反应速率的影响因素及其 本质 掌握质量作用定律及其应用条件 掌握 Arrhenius 公式及其应用 掌握一 级反应的特点和有关计算 知识点与考核点 1 化学反应速率的表示方法 aA fF gG dD B BB 0 v mol l 1 s 1 单位体积中反应进度随时间的变化率 dtV d 文档鉴赏 v dtV dn B B dt dc B B 因为反应进度与化学方程式书写方式有关 所以速率方程也必须对应指定 的化学方程式 2 元反应 直接作用 一步完成的反应 复杂反应 由多步完成的反应 其中每一步 均为元反应 速率方程 化学反应速率与反应物浓度的关系式 3 质量作用定律 对元反应 aA fF gG dD 反应速率 v 速率方程 dt dc B B f F a A cck k 为速率常数 a f 为反应级数 说明 质量作用定律仅适用于元反应 速率方程中固体 纯液体 稀溶液中的溶剂浓度不表示 反应机理不清或非元反应的速率方程由实验测定 4 活化分子 能发生有效碰撞 能生成产物的碰撞 的分子 活化分子的能量较高 5 活化能 a E 活化分子所具有的最低能量与反应物分子的平均能量之差 6 Arrhenius 公式 k A RT Ea e ln 12 12 1 2 TT TT R E k k a 7 一级反应 速率方程 kdt Bc Bdc v 文档鉴赏 特点 lnc B 与t 呈线性关系 lnc B kt lnc0 B 半衰期与c0无关 k t 693 0 21 21 t 8 化学热力学与化学动力学 化学热力学研究的是反应能否进行 反应的限度如何 化学动力学研究的是 反应的速度如何 反应经历怎样的步骤 机理如何 所以热力学的自发进行与 实际发生化学反应还不能完全一致 例如 0 时 只能说明从化学热力学角 mrG 度讲 在等温等压条件下 反应有自发进行的可能 但是有时实际上并不发生 例如常温 标准态下由 H2和 O2化合生成 H2O 的反应 0 但是实际上几 mrG 乎不发生此反应 若要实现此反应 往往要采用催化剂或其它手段以降低活化能 化学热力学的可能性与化学动力学的现实性之间的关系是 0 反应不一 mrG 定实际发生 但反应实际发生了 一定 0 则反应一定不 mrG mrG 能发生 思考题与习题解答 1 下列说法是否正确 如不正确 请说明原因 1 每种分子都具有各自特有的活化能 答答 不正确 活化能是活化分子所具有的最低能量与反应物分子平均能量之 差 前提 发生化学反应 特点 活化能是个差值 是对一个化学反应而言的 而不是对一个分子而言的 2 影响反应速率的几个主要因素对反应速率常数也都有影响 答答 不正确 温度和催化剂同时影响反应速率和速率常数 而浓度和压强只 影响反应速率 而不影响反应速率常数 3 如果某反应速率方程中每一反应物的级数 都与相应化学计量方程式 中的化学计量数相同 则该反应必是元反应 答答 否 例如 H2 I2 2HI 速率方程为 v kc H2 c I2 曾经长期被认为是简单反应 但研究表明 此反应经历了两个步骤 文档鉴赏 快反应 可逆平衡 I2I2 I I 2 2 c c K I I 2 2 cKc 慢反应 元反应 HI2I2H2 根据质量作用定律 将带入 I H 2 22 cck I I 2 2 Kcc 得到其速率方程 I H 222 Kcck I H 22 ckc 虽然其速率方程符合质量作用定律 但此反应是复杂反应 4 加催化剂不仅可以加快反应速率 还可影响平衡 也可使热力学认为 不能进行的反应自发进行 答答 否 加催化剂只能改变反应速率 不能影响化学平衡 也不能改变反应 方向 5 反应级数只能是 0 或正整数 答答 错 反应级数不仅可以为 0 或正整数 而且可以为小数或负数 6 所有化学反应速率都和温度成正比 答 不对 多数化学反应符合 Arrhenius 公式 但是一部分化学反应速率与温度 的关系比较复杂 甚至有些反应 例如 NO O2 NO2 与温度成反比 7 升高温度可以加快所有化学反应的速率 答 错 见 6 2 选择题 将正确答案的标号填入空格内 1 已知反应 A 2B 2D 的速率方程为 v kc A c2 B 则该反应 是元反应 是非元反应 应由实验确定 无法确定 答答 正确答案是 2 升高温度可以增加反应速率 主要原因是 增加分子总数 增加活化分子总数 降低反应的活化能 使反应向吸热方向进行 答答 正确答案是 文档鉴赏 3 链反应的基本步骤有 在链传递过程中 产生的自由基数目大 于消耗掉的自由基数目的链反应是 链的引发 链的传递 链的引发 链的传递 链的终止 直链反应 支链反应 答答 正确答案是 和 3 用锌和稀硫酸制取氢气 该反应的 rH 为负值 在反应开始后的一段时 间内反应速率加快 后来反应速率又变慢 试从浓度 温度等因素来解释此现象 答答 开始时 因为反应放热 使体系温度升高 加快反应了速率 随反应物 的消耗 其浓度下降 反应速率随之变慢 4 反应 A g B g 2D g rH 为负值 当达到化学平衡时 如 改变下表中各项条件 试将其他各项发生的变化的情况填入表中 改变条件增加 A 的分压增加压力降低温度使用催化剂 正反应速率 速率常数 k正 答 答 改变条件增加 A 的分压增加压力降低温度使用催化剂 正反应速率加快不变变慢加快 速率常数 k正不变不变减小加快 5 化学反应发生爆炸的原因是什么 H2和 O2的混合物 2 1 的爆炸半岛 图上为什么存在三个爆炸极限 答 答 通常发生在自由基产生速率大于其销毁速率时 温度 压力和混合气体 的组成都是影响爆炸的重要因素 在爆炸半岛图上 当压力处于第一与第二爆炸 极限时 支链反应速率加快 自由基产生速率大于销毁速率而发生爆炸 当压力 升至第二和第三爆炸区间时 自由基销毁速率大于产生速率 进入慢速反应区 不发生爆炸 当压力达到第三爆炸限以上时 发生的是热爆炸 6 在 660K 时 反应 2NO O2 2NO2的有关实验数据如下表 c NO mol L 1 c O2 mol L 1 v NO mol L 1 s 1 文档鉴赏 0 010 0 010 2 5 10 3 0 010 0 020 5 0 10 3 0 030 0 020 4 5 10 2 求 1 反应的速率方程及反应级数 2 速率常数 k 3 c NO 0 035mol L 1 c O2 0 025mol L 1时的反应速率 解解 1 速率方程通式可写作 O NO 2 yx ckcv 将各级浓度及相应反应速率数据代入上式 可得 2 5 10 3 k 0 01 x 0 01 y 5 0 10 3 k 0 01 x 0 02 y 4 5 10 2 k 0 03 x 0 02 y 由 1 2 可得 y 1 由 1 3 可得 x 2 将 x 2 y 1 代入速率 方程 可得k c NO 2 c O2 反应级数为 3 级 v 2 将 y 1 x 2 代入 中任意式 可得 k 2 5 10 3 mol l 1 s 1 3 将 k 值及浓度数据代入速率方程 v 2 5 103 0 035 2 0 025 7 6 10 2 mol l 1 s 1 7 放射性所产生的强 辐射 广泛用于癌症治疗 放射性物质的强Co 60 27 度以 居里 表示 某医院一个 20 居里的钴源 经一定时间后钴源的剩余量只 有 5 3 居里 问这一钴源已有多少时间了 已知的半衰期为 5 26a Co 60 27 解解 此反应为一级反应 1 2 1 132 0 26 5 693 0693 0 a a k k t可得 由 将 k 0 132a 1 c0 20 居里 ct 5 3 居里 代入 ln kt c ct 0 则 ln 0 132 t t 10 06a 20 3 5 8 某药物分解反应为一级反应 在 37 时 反应速率常数 k 为 0 46h 1 若服用该药 0 16g 文档鉴赏 问该药在胃中停留多长时间方可分解 90 解解 将 ct 1 90 0 16 0 016g 代入一级速率方程为 ln 得kt c ct 0 ln 0 46t t 5h 16 0 016 0 9 在 500K 时 硝基甲烷 CH3NO2 的半衰期是 650s 试求该一级反应 的 1 速率常数 2 硝基甲烷的浓度由 0 05mol L 1减至 0 0125mol L 1所需时间 3 继 2 之后 1h 硝基甲烷的浓度 解解 1 一级反应 s 1 3 2 1 1007 1 650 693 0 693 0 t k 2 ct 0 0125mol L 1 co 0 05mol L1代入一级反应速率方程 可得 lnln 1 07 103 t t 1300s 0 c ct 05 0 0125 0 或推论 反应由 0 05mol L 1 减至 0 0125mol L1经历两个半衰期 因此 t 2 1300s 2 1 t 3 继 2 以后 反应时间为 t 1300 3600 4900 s 代入速率方 程表达式 得 ln 1 07 10 3 4900 05 0 t c ct 2 64 10 4 mol L 1 10 在稀的蔗糖溶液中 即水大量存在 发生下列反应 C12H22O11 aq H2O l 2C6H12O6 aq 该反应为一级反应 若该反应的速率常数 k 为 0 034h 1 且蔗糖溶液的起始浓度 为 0 010 mol L 1 试求 1 蔗糖水解反应的起始速率 2 5h 后蔗糖的浓度 解 1 该一级反应的速率方程可写作 v k c C12H22O11 起始速率 v 0 034 0 010 3 4 10 4mol L 1 h 1 文档鉴赏 2 ln k t ct 0 0084 mol L 1 0 c ct 5034 0 01 0 ln t c 11 某病人发烧至 40 使体内某一酶催化反应的速率常数增大为正常体 温 37 时的 1 23 倍 试求该催化反应的活化能 解解 由阿氏公式 k A eEa RT 可得 ln 21 12 1 2 TT TT R Ea k k 将 T1 273 37 310K T2 273 40 313K k2 1 23k1 代入公式 有 ln 21 12 1 2 TT TT R Ea k k ln 313310 310313 10314 8 23 1 3 1 1 Ea k k Ea 55 70 kJ mol 1 12 反应 2NOCl g 2NO g Cl2 g 的活化能为 101kJ mol 1 300K 时 速率常数 k1为 2 80 10 5 L mol 1 s 1 试求 400K 时的速率常数 k2 解解 由 有 ln 21 12 1 2 TT TT R E k k a 400300 300400 10314 8 101 1080 2 ln 35 2 k k2 0 698 L mol 1 s 1 13 已知青霉素 G 的分解反应是一级反应 37 时其活化能为 84 8 kJ mol 1 指前因子 A 为 4 2 1012h 1 试求 37 时该反应的速率常数 k 解解 代入阿氏公式 k A e Ea RT得 7 21 10 3 h 1 37273 10314 8 4 8412 3 104 2 ek 3412 104 2e 14 300K 时 下列反应 H2O2 aq H2O l 1 2 O2 g 的活化能为 75 3kJ mol 1 若用 I 催化 活化能降为 56 5kJ mol 1 若用酶 文档鉴赏 催 化 活化能降为 25 1kJ mol 1 试计算在相同温度下 该反应用 I 催化及酶催 化时 其反应速率分别是无催化剂时的多少倍 解解 由 Arrhenius 公式 有 k A e Ea RT 用 I 催化时 1 9 103倍 RTEa RTEa e e k k 1 1 无 无 30010314 8 5 56 3 75 3 e 用酶催化时 5 5 108倍 RTEa RTEa e e k k 无 酶 无 酶 30010341 8 1 25 3 75 3 e 第四章第四章溶液及溶液中的离子平衡溶液及溶液中的离子平衡 教学内容 1 溶液浓度的表示方法 2 稀溶液的通性 3 一元弱酸和一元弱碱的离解 平衡 4 同离子效应与缓冲溶液 5 溶度积与溶度积规则 文档鉴赏 教学要求 掌握溶液浓度 摩尔分数 x 也称摩尔分数浓度 质量摩尔浓度 bB 物 质的量浓度 c 的概念和计算 了解气体 固体在液体中的溶解度及其影响因素 了解相似相溶原理和萃取分离原理 熟悉蒸气压 沸点 凝固点 渗透压等概念 熟悉蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降 渗透压产生的原因和定量计算方法 掌握稀溶液的依数性定律 了解一元弱电解质的离解平衡的特点 掌握一元弱酸 弱碱溶液 pH 值的计算方法 掌握缓冲溶液的特点 作用 配制方法及缓冲溶液 pH 值的计算方法 了解溶度积的概念及难溶电解质离解平衡特点 掌握溶度积 规则 知识点与考核点 1 摩尔分数 x x1 x2 x1 x2 1 21 nn n1 21 2 nn n 2 质量摩尔浓度 bB mol kg B B n b m 溶质 溶剂 3 物质的量浓度 c mol L n c V 溶质 溶剂 4 溶解与热效应 气体溶解于水时放热 所以温度升高时 气体的溶解度降低 固体溶于水多 为吸热过程 所以升温时多数固体在水中的溶解度增大 5 蒸气压 一定温度下 液体与其蒸气处于平衡状态时蒸气的压力叫该液体的饱和蒸 气压 简称蒸气压 蒸气压是液体的本性和温度的函数 6 溶液的蒸气压下降 同温度下 纯溶剂蒸气压和溶液蒸气压的差值 难挥发的溶质使液体蒸气 压下降 易挥发溶质使液体蒸气压上升 文档鉴赏 7 拉乌尔定律 p 一定 质 x p 温 度下 难挥发 非电解质的稀 溶液的蒸气压下降与溶质的物 质的量分数 成正比 比 质 x 例系数是纯溶剂在该温度下的 饱和蒸气压 稀溶液蒸气压下降如图 4 1 所示 8 沸点 图 4 1 溶液的蒸气压下降 液体的蒸气压等于外压时的温度 沸点上升和凝固点下降图 9 溶液的沸点上升 溶液的沸点与纯溶剂沸点的差值 bKt bb 溶液的沸点上升与质量摩尔浓度 b 成正比 比例系数是溶剂本性的函数 b K 沸点上升如图 4 1 所示 此定量计算公式的适用范围 难挥发 非电解质的 稀溶液 若溶质是易挥发的 则溶液的沸点会下降 10 凝固点 一定外压下 固相蒸气压与液相蒸气压相