基础化学第二版习题答案chap6

1第六章化学热力学基础习题答案1．试述热力学第一定律并写出其数学表达式。解：热力学第一定律就是能量守恒定律，即能量只能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但在转化和传递过程中，能量的总值不变。热力学第一定律数学表达式为：△U＝Q－W。2．试述Hess定律。它有什么用途？解：Hess定律：一个化学反应不管是一步或分几步完成，这个反应的热效应总是相同的。用途：根据Hess定律，可以用少量已知的热效应数据计算出许多化学反应的热效应。尤其是某些不易准确地直接测定或根本不能直接测定的反应的热效应。3．在常压下，0℃以下的水会自发地结成冰，显然这是一个熵降低的过程，为什么该过程能自发进行？答：这个体系并非孤立体系，在体系和环境间发生了热交换。从水变成冰的过程中体系放热给环境。环境吸热后熵值增大了，而且环境熵值的增加超过了体系熵值的减小。因而体系的熵变加上环境的熵变仍是大于零的，所以该过程能自发进行。4．在298K、100kPa下，一定量的水加热到373K化为蒸汽，蒸汽冷凝为298K的水再冷却到273K结冰。冰冷却至263K后，加热溶化，再加热到298K并保持在100kPa下。假定整个过程是在封闭体系中进行的，总过程焓的变化为△H,问下列哪一个答案是正确的？为什么？A.△H决定于试样的多少；B.△H＝0；C.△H依赖于加热的能源；D.△H取决于每一分步保持的时间多少。解：B。△H是状态函数，只决定于体系的始态和终态，而与变化的途径无关。5．在298.15K、100kPa下，H2(g)＋21O2(g)＝H2O(1)的反应放出285.9kJ·mol-1的热量。试判断下列哪一个答案是正确的。A.△U＝–285.9kJ·mol-1B.△cHm=△fHm=–285.9kJ·mol-1C.△cHm(H2,g)＝QV＝–285.9kJ·mol-1D.△cHm(H2,l)＝–285.9kJ·mol-1解：B。6．人体肌肉活动中的一个重要反应是乳酸氧化成丙酮酸，计算25oC条件下该反应的ΔrθmH。已知：乳酸2和丙酮酸的燃烧热分别为–1364kJ·mol-1和–1168kJ·mol-1。解：θθθrmccm,m,HHH反应物产物θθccm,m,=HH乳酸丙酮酸111=1364kJmol(1168kJmol)196kJmol7．已知乙醇的标准燃烧焓为–1366.8kJ·mol-1，CO2(g)和H2O(l)的标准摩尔生成焓分别为–393.51kJ·mol-1和–285.84kJ·mol-1，求乙醇的标准摩尔生成焓。解：CH3CH2OH（l）+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△cHm（298.15K）＝△rHm（298.15K）△rHm（298.15K）＝2ΔfHm(CO2,g)＋3ΔfHm(H2O,l)－ΔfHm(CH3CH2OH,l)－3ΔfHm(O2,g)]＝－2×393.5kJ·mol-1－3×285.8kJ·mol-1＋1366.8kJ·mol-1－12×0kJ·mol-1＝－277.6kJ·mol-18.已知下列反应：2Fe(s)＋23O2(g)＝Fe2O3(s)4Fe2O3(s)＋Fe(s)＝3Fe3O4(s)在298.15K、100kPa下，△rGm分别为–741kJ·mol-1与–79kJ·mol-1。计算Fe3O4的△fGm。解：2Fe(s)＋23O2(g)＝Fe2O3(s)（1）4Fe2O3(s)＋Fe(s)＝3Fe3O4(s)（2）（1）×34+（2）×31得：3Fe(s)＋2O2(g)＝Fe3O4(s)△rGm=（–741kJ·mol-1）×34+（–79kJ·mol-1）×31=–1014kJ·mol-1△fGm=△rGm==–1014kJ·mol-19.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298.15K，标准态下的△rGm、△rHm和△rSm。（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，1molC12H22O11（s）进行代谢时可以得到多少非体积功。解：（1）△rGm（298.15K）＝12ΔfGm(CO2,g)＋11ΔfGm(H2O,l)－ΔfGm(C12H22O11,s)－12ΔfGm(O2,g)]3＝－12×394.4kJ·mol-1－11×237.1kJ·mol-1＋1544.6kJ·mol-1－12×0kJ·mol-1＝－5796.3kJ·mol-1△rHm（298.15K）＝12ΔfHm(CO2,g)＋11ΔfHm(H2O,l)－ΔfHm(C12H22O11,s)－12ΔfHm(O2,g)]＝－12×393.5kJ·mol-1－11×285.8kJ·mol-1＋2226.1kJ·mol-1－12×0＝－5639.7kJ·mol-1△rSm（298.15K）＝12ΔfSm(CO2,g)＋11ΔfSm(H2O,l)－ΔfSm(C12H22O11,s)－12ΔfSm(O2,g)]＝12×213.8J·mol-1＋11×70.0J·mol-1－360.2J·mol-1－12×205.2J·mol-1＝513.0J·mol-1·K-1（2）△rGm（310.15K）＝△rHm（310.15K）－T△rSm（310.15K）＝－5639.7kJ·mol-1－310.15×0.5130kJ·mol-1＝－5798.8kJ·mol-11molC12H22O11（s）在体温进行代谢时可以得到的非体积功为：W‘＝1mol×5796.3kJ·mol-1×30%＝1738.9kJ10．关于生命的起源问题，有人主张最初植物或动物复杂分子是由简单分子自发形成的。对此进行过较多研究，例如尿素的形成，其反应和有关热力学数据如下：CO2(g)+2NH3(g)→(NH2)2CO(s)+H2O(l)θmS/(J·K-1·mol-1)213.8192.8104.670.0ΔfθmH/(kJ·mol-1)–393.5–45.9–333.2–285.8（1）计算25oC时反应的ΔrθmH、ΔrθmS、ΔrθmG。（2）若在25oC，反应自发进行，最高温度达多少时，反应就不再进行了。解：（1）Δrθm,298.15KS=θθm,m,SS反应物产物=22(NH)θm,CO,sS＋2θ,HmO,lS－3NHm,.θ,g2S+－2COθm,,gS=104.61-1JKmol＋70.01-1JKmol－2×192.81-1JKmol－213.81-1JKmol=–424.81-1JKmol同理ΔrθmH=θθffm,m,HH反应物产物=–285.8kJ·mol－1－333.2kJ·mol－1－（–393.5－2×45.9）kJ·mol－14=–133.7kJ·mol－1θθθrmrmrmGHTS-11-1-13JmolJKmol133.7k298.15K(424.8)107.0o4Jkml（2）若要该反应不再进行，必须θrm0G，由于温度对θrmH和θrmS的影响可以忽略，所以θθθrmrmrm0GHTS,即θθrm,rm,298.15Kθθrm,Trm,298.15K314.7KTHHTSS因此，若要该反应不再进行，必须温度至少达到314.7K。11．在某细胞内ADP和H3PO4浓度分别为3.0mmol·L-1和1.0mmol·L-1。ATP的水解反应为：2HO34ATPADPHPO在310.15时，θrmG=–31.05kJ·mol-1，试求ATP在细胞内的平衡浓度；如果实际上ATP的浓度是10mmol·L-1，求反应的rmG。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。6K15.103molK8.314J)molJ1005.13(θ107.11113θmreeKRTG]ATP[]POADP][H[43θK1-96θ43Lmmol108.1107.11000)1/10001()1/10003(]POADP][H[]ATP[K)/()/)(/(lnθATPθADPθPOHθmrmr43ccccccRTGG1313(/1)(/1)1000100031.05kJmol8.31410310.15ln10(/1)1000=–34.15kJ∙mol-112．已知反应CO(g)＋H2O(g)＝CO2(g)＋H2(g)的△rHm=–41.2kJ·mol-1，500K时K=126，求800K时的标准平衡常数。5解：211212303.2)(lgTRTTTHKK211212303.2)(lgTRTTTHKKpp23-1-1-141.210Jmol(800K500K)lglg1260.48662.3038.314JmolK500K800KpK07.32pK13．已知反应C(s)＋H2O(g)＝CO(g)＋H2(g)的△rGm=91.32kJ·mol-1，试求298K、100kPa时的标准平衡常数。解：3-1-1-191.3210Jmollg16.00462.3032.3038.314JmolK298KGKRT171089.9K14．计算下列反应在298.15K标准态下的θrmΔG，判断自发进行的方向，求出标准平衡常数Kθ。（1）2221H(g)O(g)HO(g)2（2）C6H12O6(s)2C2H5OH(l)+2CO2(g)（可用于发酵法制乙醇）解：（1）θmrG=–228.6kJ∙mol-1－0－21×0=–228.6kJ∙mol-1＜0正向反应可以自发进行。θK=RTGeθmr=298.15KmolK8.314J)molJ10228.6(1113e=1.1×1040（2）25261262CHOH(l)2CO(g)CHO(s)mmmmGGGGrfffΔΔΔΔ=–2×174.8kJ·mol-1–2×394.4kJ·mol-1+910.6kJ·mol-1=–227.8kJ·mol-1由公式θθθrmln2.303lgGRTKRTKrmlg2.303GKRT=1311227.8kJmol2.3038.31410kJmolK298K得出Kθ=8.4×1039615．用有关热力学函数计算Ag2CO3在298.15K和373.15K时的溶度积常数（假设ΔrHm、ΔrSm不随温度变化）。解：Ag2CO3(s)2Ag+(aq)+CO23(aq)ΔrGm/(kJ·mol-1)–437.277.1–527.8ΔrHm/(kJ·mol-1)–505.8105.6–667.0Sm/(J·K-1·mol-1)167.472.7–56.8298.15K时：θmrG=θmfG(产物)-θmfG(反应物)=[2×77.1kJ·mol-1+(–527.8)kJ·mol-1]－(–437.2kJ·mol-1)=63.6kJ·mol-1ΔrGm=–2.303RTlgKsp(Ag2CO3,298.15K)lgKsp(Ag2CO3,298.15K)=RTG303.2),298.15KCOAg(Δ32θmr=298.15KmolK8.314J2.303molJ1063.61113=–11.1Ksp(Ag2CO3,298.15K)=7.94×10-12373.15K时：θmrH(298.15K)=θmfH(产物)-θmfH(反应物)=[2×105.6kJ·mol-1+(–667.0)kJ·mol-1]–(–505.