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1、第 五 章化学平衡一.基本要求1.掌握化学反应等温式的各种形式，并会用来判断反应的方向和限度。2.了解标准平衡常数的定义，掌握标准平衡常数的各种表示形式和计算方法。3.掌握标准平衡常数K 与 Gf 在数值上的联系，熟练用热力学方法计算A C f,从而获得标准平衡常数的数值。4.了解标准摩尔生成Gibbs自由能4 G，的定义和它的应用。5.掌握温度对化学平衡的影响，记住van，t Hoff公式及其应用。6.了解压力和惰性气体对化学平衡的影响。二.把握学习要点的建议把本章放在多组分系统之后的目的，就是要利用多组分系统中介绍的化学势的概念和各种表示方式，来导出化学反应等温式，从而用来判断化学反应的方
2、向与限度。本章又用到了反应进度的概念，不过其值处在0-1 m ol的区间之内。因为在利用化学势的表示式来计算反应的Gibbs自由能的变化值时，是将化学势看作为一个定值，也就是在有限的反应系统中，化学进度为dj,如果在一个很大的系统中，&=lm o l。严格讲，标准平衡常数应该用绝对活度来定义，由于本教材没有介绍绝对活度的概念,所以利用标准态化学势来对标准平衡常数下定义，其含义是一样的。从标准平衡常数的定义式可知，标准平衡常数与标准化学势一样，都仅是温度的函数，因为压力已指定为标准压力。对于液相反应系统，标准平衡常数有其相应的形式。对于复相化学反应，因为纯的凝聚态物质本身就作为标准态，它的化学势
3、就是标准态化学势，已经归入4 G 2 中，所以在计算标准平衡常数时，只与气体物质的压力有关。学习化学平衡的主要目的是如何判断反应的方向和限度，知道如何计算平衡常数，了解温度、压力和惰性气体对平衡的影响，能找到个经济合理的反应条件，为科研和工业生产服务。而不要过多地去考虑各种浓度表示式和各种平衡常数表示式之间的换算，否则会把自己搞糊涂了，反而没抓住主要内容。由 于 标 准 平 衡 常 数 与 在 数 值 上 有 联 系，=R T lnK，所以有了 A G f的值，就可以计算K 7 的值。定义了标准摩尔生成Gibbs自由能A f G f,就可以很方便地用热力学数据表中个物质的AfG?值，来计算反应
4、的Gf,从而可以求出标准平衡常数。为 什 么 说 与 K 7 仅是在数值上有联系呢？因为它们处于不同的状态，ArG：处于标准态，而K 二处于平衡态，它们之间的关系可以这样来理解。根据公式：（3=A+R T叫B在等温、等压不做非膨胀功时，化学反应达到平衡，（AGm）”：。，才得到 燎=必叫闺=R T lnQ所以，K 7是处于平衡状态时的压力商，而它又与标准化学势有关（根据它的定义式），故将 称 为 标 准 平 衡 常 数，它始终与系统的化学平衡状态相连。而/7?=工魄？，是处B于标准态时化学势的代数和，故称为反应的标准摩尔Gibbs自由能变化值，它是处于标准状态下的物理量。只有在化学反应达到平衡
5、时，才与K 联系在一起。之所以要强调这一点是因为，如果把A rG f看作是平衡状态下的物理量，它的数值永远等于零；如果把K?看作是标准状态下的平衡常数，那它就永远等于1,显然这些结论是荒谬的。标准平衡常数的数值与A G?一样，因为用到了化学反应进度的概念，所以与方程式的计量系数是有关系的。方程式的计量系数成倍数的关系，则 的 值 也 呈 倍 数 的 关 系，而K丁则成指数的关系。所以在计算K 7时，一定要与化学计量方程对应。温度是影响化学平衡的最主要的因素，温度会改变平衡常数的数值。根据v a n H o ff公式，对于吸热反应，升高温度，使平衡常数值增大。反之，对于放热反应，降低温度，使平衡
6、常数值增大。要熟练掌握vantHoflf定积分公式的应用。压力不影响平衡常数的数值，而只可能影响有气体参与反应的平衡组成，或通常说的会影响K?的数值。对于反应前后气体分子数不变的反应，或受压力影响较小的凝聚相反应，则压力对平衡几乎没有影响。只有在反应前后，气体分子数发生改变的反应，压力才会影响平衡的组成，增加压力对气体分子数减少的反应有利，反之，降低压力对气体分子数增加的反应有利，使产物的比例提高。把不参与反应的气体称为惰性气体，惰性气体对平衡的影响与压力相似，只有在反应前后气体分子数改变的反应，加入惰性气体才会影响平衡的组成。加入惰性气体，降低了各个组成的分压，相当于起了降压和稀释作用，对气
7、体分子数增加的反应是有利的。反之，对气体分子数减少的反应，惰性气体的存在会使产物在平衡组成中的比例下降，必须定期清除这种反应物带入的或反应中产生的惰性气体。三.思考题参考答案1.反应达到平衡时，宏观和微观特征有何区别？答：反应到达平衡时，宏观上反应物和生成物的数量不再随时间而变化，好像反应停止了。而微观上，反应仍在不断的进行，反应物分子变为生成物分子，而生成物分子又不断变成反应物分子，只是正、逆反应的速率恰好相等，使反应物和生成物的数量不再随时间而改变。2.为什么化学反应通常不能进行到底？答：严格讲，反应物与产物处于同一系统的反应都是可逆的，不能进行到底。只有逆反应与正反应相比小到可以忽略不计
8、的反应，可以粗略地认为可以进行到底。这主要是由于存在混合Gibbs自由能的缘故，反应物与产物混合，会使系统的Gibbs自由能降低。如果没有混合Gibbs自由能，在Gibbs自由能对反应进度的变化曲线上，应该是一根不断下降的直线，不会出现最低点。如果将反应在v a n，t H o f f 平衡箱中进行，反应物与生成物的压力都保持不变，反应物与生成物也不发生混合，反应物反应掉一个分子，向平衡箱中补充一个分子。生成一个生成物分子，则从平衡箱中移走一个分子，这样才能使反应进行完全。3 .什么是复相化学反应？其平衡常数有何特征？答：有气相和凝聚相(液相、固体)共同参与的反应称为复相化学反应。对凝聚相，只
9、考虑是纯态的情况，纯态的化学势就是它的标准态化学势，所以复相化学反应的标准平衡常数只与气态物质的压力有关。4 .什么是物质的解离压？答：在一定温度下，某纯的固体物质发生解离反应，如果只产生一种气体，达到平衡时，这气体的压力就称为该固体在该温度时的解离压。如果产生的气体不止一种，达到平衡时，所有气体压力的总和称为该固体在该温度时的解离压。显然物质的解离压在定温下有定值。5.什么是标准摩尔生成G ib b s自由能？答：因为G ib b s自由能的绝对值不知道，所以只能用相对值，需要规定一个共同的相对标准。即将标准压力下稳定单质(包括纯的理想气体，纯的固体或液体)的生成G ib b s自由能看作零
10、，在标准压力下，反应温度时，由稳定单质生成计量系数%=1 的物质B时，标准摩尔G ib b s自由能的变化值称为物质B的标准摩尔生成G ib b s自山能，用符号fG 2(B,P,T)表示。热力学数据表上一般列出的是在2 9 8.1 5 K时的数值。6 .根据公式，=-R T I n 烂,所 以 说 是 在 平 衡 状 态 时 的 G ib b s自由能的变化值，这样说对不对？答：不对。在等温、等压、不作非膨胀功时，化学反应达到平衡时的G ib b s自由能的变化值等于零，这样才得到上述公式。而 是 指 在 标 准 状 态 下 G ib b s自由能的变化值，在数值上等于反应式中各参与物质的标
11、准化学势的代数和，即：ArG(n=Ev/B B(n-因B此 不 能 认 为 是 在 平 衡 状 态 时 的 G ib b s自由能的变化值，否则在标准状态下。它的数值永远等于零。7 .在一定的温度、压力且不作非膨胀功的条件下，若某反应的4 G”0,能否研制出一种催化剂使反应正向进行？答：不能。催化剂只能同时改变正向和逆向反应的速率，使平衡提前到达，而不能改变反应的方向和平衡的位置，催 化 剂 不 能 影 响 的 数 值。用热力学函数判断出的不能自发进行的反应，用加催化剂的方法也不能使反应进行，除非对系统做非膨胀功。8 .合成氨反应的化学计量方程式可以分别用如下两个方程来表示，两者的A G?和K
12、 的关系如何？3 1(1)3H2+N?=2NH,(2)H,+N?=NH?L L J 2 2 J答：ArGm的下标“m”表示反应进度为1 m o l时G ib b s自由能的变化值，现在两个反应式中各物的量成倍数关系，当反应进度都等于1 m o l时，得：rG f(l)=2 AG*(2)K?=gy9.工业上，制水煤气的反应方程式可表示为：C(s)+H2O(g)=C O(g)+H2(g)Hm=1 33.5 k J-m o f1设反应在6 7 3 K时达到平衡，讨论下列因素对平衡的影响。增加碳的含量；提高反应温度；增加系统的总压力；增加水气分压；增加氮气分压。答：只要碳是纯的固态，则它的活度等于1,
13、它的化学势就等于标准态时的化学势,在复相化学平衡中，纯固态不出现在平衡常数的表达式中，则增加碳的含量对平衡无影响。提高反应温度会使平衡向右移动，因为这是一个吸热反应，提高反应温度对正反应有利。增加系统的总压力，虽然不影响平衡常数的数值，但是会影响平衡的组成。因为这是一个气体分子数增加的反应，增加压力，会使平衡向体积变小的方向移动，会使平衡向左方移动，不利于正向反应。所以，工业上制备水煤气时，一般在常压下进行。水是反应物，增加水气的分压，会使平衡向正向移动。氮气在这个反应中是惰性气体，增加氮气虽然不会影响平衡常数的数值，但会影响平衡的组成。因为这是个气体分子数增加的反应，增加惰性气体，使气态物质
14、的总的物质的量增加，相当于将反应系统中各个物质的分压降低了，这与降低系统的总压的效果相当，起到了稀释、降压的作用，可以使产物的含量增加，对正向反应有利。1 0.五氯化磷的分解反应为P C l5(g)-C l2(g)+P C l3(g),在一定温度和压力下，反应达平衡后，改变如下条件，五氯化磷的解离度将如何变化？并解释为什么？设所有气体均为理想气体。(1)降低系统的总压；(2)通入氮气，保持压力不变，使体积增加一倍；(3)通入氮气，保持体积不变，使压力增加一倍；(4)通入氯气，保持体积不变，使压力增加一倍。答：(1)降低总压有利于正向反应，使五氯化磷的解离度增加，因为这是一个气体分子数增加的反应
15、。(2)通入氮气，保持压力不变，这对气体分子数增加的反应有利，相当于起了稀释、降压的作用，所以五氯化磷的解离度会增加。(3)通入氮气，因保持体积不变，压力和气体的总物质量同时增加，它们的比值不变,所以平衡组成也不变，五氯化磷的解离度亦不变。(4)通入氯气，增加了生成物的含量，使平衡向左移动，对正向反应不利，会使五氯化磷的解离度下降。四.概念题参考答案1.在等温、等压且不做非膨胀功的条件下，当反应的A。：=5 k J-m o L时，该反应自发进行的方向为()(A)正向自发进行(B)逆向自发进行(C)无法判断(D)反应不能进行答：(C)。判断反应能否自发进行，要用等温、等压且不做非膨胀功的条件下
16、G m的变化值，而 不 能 用 的 值。除非该反应是在标准压力下进行，则A G?。，反应能逆向自发进行。或者AG?是一个绝对值很大的负值，改变压力商也不可能改变A G m的符号,则A G,”也小于零，这时可以估计反应能自发正向进行。2 .理想气体混合物在化学反应达平衡时，应该使用下列哪个关系式？()(A)Gm=-R T nK f(B)=-R T n K f(C)=-R T nK f(D)=-R T nK f答：(B)。根据理想气体化学势的表示式，对数项中用PB/P 表示，在化学反应等温式中，对 数 项 中 是 压 力 商 达 平 衡 时，是平衡时的压力商，所以标准平衡常数是K事，相应的G i
17、b b s自由能的变化值为ArG。3 .理想气体反应C O(g)+2 H 2(g)=C H Q H(g)的ArG,与温度T的关系为：ArG,/(J -m o P )=-2 1 6 6 0 +5 2.9 2 7/K 若要使反应的平衡常数大于1,则应控制的反应温度为()(A)必须低于40 9.3 C (B)必须高于40 9.3 K(C)必须低于40 9.3 K (D)必须等于40 9.3 K答：(C)。与标准平衡常数K 1的关系式为AG：=ATl n K)要使K丁 =1,则/7 =().从已知的关系式，解得7 =40 9.3 K。要使反应在标准压力下能自发正向进行，必须小于零，所以，根据已知的关系
18、式，反应温度必须低于40 9.3 K。4.在9 7 3 K时，反应C 0(g)+H 2 0(g)C C)2(g)+H 2(g)的标准平衡常数K f=0.7 1若将如下各分压的理想气体混合在一起，pco=10 0 k Pa,PHQ=50 k Pa,Pcq=l k Pa,p H?=l k Pa,在相同温度下，反应的方向将()(A)向右进行(B)向左进行(C)处于平衡状态(D)无法判断答：(A)。有一个可以作为判据的化学反应等温式为(Gmyp=-R T nK f+R T nQp如果若则AGmVO,反应可自发向右正向进行。这个反应的。值为Qp10 x10100 x50=0.02远小于K 丁的值，所以反
19、应自发向右进行。5.在3 50 K时，N H 4H C O3 G）发生分解反应的计量方程为N H4H C O3(s)N H3(g)+C O2(g)+H2O(g)设在两个容积都等于T O dm3的密闭容器A和B中，分别加入纯的N H 4H C O3 G）1.0 k g和2 0.0 k g,保持温度不变，达到平衡后，下列说法正确的是（）（A）两容器中压力相等（B）A内压力大于B内压力（C）B内压力大于A内压力（D）必须经实际测定方能判别答：（A）。因为容器的体积有限，N H 4H C O3 G）都是过量的，在相同温度下，两密闭容器中的分解压力相同。6.根 据 某 一 反 应 的 值，下列不能确定的
20、是（）（A）标准状态下自发变化的方向（B）在AG?所对应的温度下的平衡位置（C）在标准状态下系统所能做的最大非膨胀功（D）提高温度对平衡的影响情况答：（D）。温度对平衡的影响情况，要用v an H o ff公式判断，要根据反应是吸热还是放热，来决定提高温度对平衡有利还是不利，而用AG?不好确定。7 .某实际气体反应，用逸度表示的标准平衡常数随下列哪个因素而变（）（A）系统的总压力（B）催化剂（C）温度（D）惰性气体的量答：（C）。实际气体化学势的标准态与理想气体是一样的，其标准态化学势仅是温度的函数，所以标准平衡常数也是温度的函数，会随着温度的改变而改变。8 .在某一反应温度下，已知反应（1）
21、2 N H3（g）3 H 2（g）+N 2（g）的标准平衡常数为K 7 =0.2 5。那么，在相同的反应条件下，反应2 H 2（g）+N 2（g）N H：（g）的标准平衡常数K二（2）为（）（A）4（B）0.5（C）2（D）1答：（C）。第二个方程是第一个方程的逆过程，标准平衡常数是第一个方程的倒数。而第二个方程式的计量系数是第一个方程的一半，则标准平衡常数应开1/2次方，所以K 丁9.在2 9 8 K时，某化学反应的标准G ibbs自由能变化的变化值4 G?1Ke 0(D)0 KQ答：(B)。因为 八 簿=-R T l nK e,ArG 0 ,-R T nKe 1。10 .在如下儿个反应中，
22、增加系统的总压，能使产物的比例增加的是()(A)C aC O3(s)C aO(s)+C O2(g)(B)C O(g)+H2O(g)C O2(g)+H2(g)3 1(C)-H2(g)+-N2(g)N H3(g)(D)P C l5(g)=C l2(g)+P C l3(g)答：(C)。增加系统的总压，虽然不改变标准平衡常数，但是对气体分子数减少的反应有利，能使产物的比例增加。这里只有(C)是气体分子数减少的反应。1 1 .在等温、等压的条件下，反应C(s)+H 2 O(g)=C O(g)+H 2(g)的平衡常数和转化率 分 别 为 和 外。充入一定量的N?(g)后，再次达平衡时的平衡常数和转化率分别
23、为K?(2)和a2。两者的关系为()(A)7 C (1)=K二(2),a,a2(B)一 (1)K 六 2),%(C)寸 2(g)+H2(g)的=0.71。试根据如下两种情况，分别判断反应的方向。(1)反应系统中各组分的分压都是L52xl()5 P a。(2)反 应 系 统中，pco=1.013xl06 Pa,PH,0=5.065x10、Pa,Pc。,=Pu,=1.52x10、Pa o解：根据化学反应等温式(AGm)T.p=R TlnK f+RTln/0 J c oj p，X P P _ L 5 2 X 1.5 2 T P c o/p x p H g/p 1.5 2 x 1.5 2Qp K f
24、,(ArGm)rp 0,正向反应是不自发的，而逆向反应是自发的。Q=P co p S x p P =1.5 2 x 1.5 2“P c /x p a/p$10.13X5.065-Qp p 2(g)+H 2(g)的标准平衡常数与温度的关系为l n/ce=4 9 5 L 5 _5 1()3 当c o(g),H2O(g),C C)2(g)和H 2(g)的起初组成的摩尔分数T/K分别为0.3 0,0.3 0,0.2 0和0.2 0,总压为1 0 1.3 kP a时，问在什么温度以下(或以上)，反应才能自发地向生成产物的方向进行？解：要使反应自发地向生成产物的方向进行，必须使反应的(A r G J r,
25、V 0,即(Gmp=-R T n K f+R T n Qp 0 l n Q,l n 专0.P./P X P/。1 0.2 0 x 0.2 0P c o/P$x p%o/P$0-3 0 x 0.3 0 l n 0.4 4 4 f4951-5-5.1 0 3 I T/K )解得 T 0I n Q/l n K丁这是一个复相化学反应，标准平衡常数只与NH s(g)的压力有关。设需通入NH j(g)的物质的量为，则/、2/2C NHJ(nR T x 8.3 1 4 x 3 1 35X10-3X100X103=2 7.0 9/7l n/r =l n(9x l Ol o)=2 5.2 2nQp-l n(2
26、7.0 9/72)=3.3 0 +2 I n H3.3 0 +2 1 n n 2 5.2 2 5 7 5 2 6 m o l4 .A g(s)受到H2S(g)的腐蚀可能发生如下反应2 A g(s)+H 2 s(g)A g2S(s)+H2(g)试计算，在 2 98 K和标准压力下，在H 2 s(g)和 H 2(g)的混合气体中，H 2 s(g)的摩尔分数低于多少时，便不致使A g(s)发生腐蚀？已知在2 98 K时，A g 2 s(s)和 H 2 s(g)的标准摩尔生成 G ib b s 自由能分别为：ArG (A g2S,s)-4 0.2 5 k J m o r1,AfG (H,S,g)=-3
27、 3.5 6 k J-m o l-1 o解：设 H 2 s(g)在气体混合物中的物质的量分数为x,则 H 2(g)的物质的量分数为(1-X)。根据化学反应等温式-1 -YArG =AfG (A g2S,s)-AfG (H2S,g)=(-4 0.2 5 +3 3.5 6)k J-m o l-1=-6.6 9 k J-m o f16.6 9 k J -m o l8.3 1 4 J-m o r1-K-x 2 98 K j=1 4.88 1 4.88x 0,故在该条件下，反应不可能自发正向进行。(2)把Pg?和Pg的分压提高后(4)”=8.3 1 4 x 1 0 93 x I n3 0 4 x 1 0
28、2 0 x 4 0 5J m o l=-8.90 6 k J m o r 这时，(AG)./o,故在这个条件下，反应可自发正向进行。7.在 1 3 7 3 K时，有下列反应发生：(1)C(s)+2 S(s)=C S2(g)K：=0.2 5 8(2)C u2S(s)+H2(g)=2 C u(s)+H2S(g)K：=3.9x l 0-3(3)2 H 2 s(g)=2 H 2(g)+2 S(g)K、=2.2 9、1 0 试计算在1 3 7 3 K 时，用碳还原C u 2 s(s)反 应 的 平 衡 常 数。解：用碳还原C u 2 s(s)的反应式为：(4)2 C u 2 s (s)+C(s)=4 C
29、 u (s)+C S2(g)这几个反应方程式之间的关系为(4)=(l)+2 x(2)+(3)所以 K 2 =K g y.K?=0.2 5 8 x (3.9 x 1 0-3)*2.2 9 x 1 0-3 =8.99 x 1 0一88.在 994 K和 1 0 0 k Pa 压力下，使纯H z(g)慢慢地通过过量的C o O(s),则氧化物部分地被还原为C o(s)。流出的已达平衡的气体中，含H 2(g)的体积分数为0 0 2 5。在同一温度时,若用C O(g)还原C o O(s),平衡后气体中含C O(g)的体积分数为0.0 1 9 2。如果将物质的量相等的C O(g)和 H 2 O(g)的混合
30、物，在 9 9 4 K 下通过适当催化剂进行反应，试计算其平衡转化率？解：首先写出反应的计量方程和计算相应的标准平衡常数(1)H2(g)+C o O(s)H2O(g)+C o(s)PH、/pe 0.0 2 5(2)C O(g)+C o O(s)CO2(g)+C o(s)-皿竺J 1 9 2 =5 1pco/pe 0.0 1 9 2所要计算的反应是(3),(3)=(2)-(1)(3)C O(g)+H,O(g)C O2(g)+H2(g)所以=,=切设 反 应(3)的平衡转化率为aC O(g)+H2O(g)/=0 1 1t=t.1-a l-aC O2(g)+H2(g)0 0a a这是一个反应前后气体
31、分子数相等的反应，所以压力商与摩尔分数商相等K?=&=1.3 1(1-)2解得:a=0.5 39.在2 9 8 K和标准压力下，水合硫酸铜脱水反应的计量方程为C u S O4-3 H2O(S)CUS O4(S)+3 H2O(g)已知其标准平衡常数K?=1.0 x 1 0-6。为了使0.0 1 m o l C u S O s)在2 dm 3的容器中，完全转化为CUS O.3 H 2 O(S),试计算至少应加入H 2(3(g)的物质的量。设气体为理想气体。解：这是一个复相化学反应，标准平衡常数只与H 2(D(g)的压力有关逆挈叫=1.0 x 1 0-6P、Pn e7解得在平衡时 p(H2O,g)=
32、/?e()l/3=1 0 0 k P a x (1.0 x 1 0-6严=i.o k P aPH,O%1 0 0 0 x 2 x 1 0 3、8.3 1 4 x 2 9 8,m o l =8.0 7x 1 0 4 m o l加入的H 2。)有两个用途，一是生成水合硫酸铜，另一个是维持容器中的水气分压，所以至少应加入H2O(1)的物质的量为H(H2O,1)=(3X0.0 1 +8.0 7X1 0-4)m o l =3.0 8x 1 O-2 m o l10.反 应NH4C1(S)NH3(g)+HCl(g)的平衡常数，在250 400K的温度范围21 020 K内，与温度的关系式为ln/=37.32
33、-。设在这个温度范围内AC“=0。试计算在300 K时：(1)NH4C1(S)在真空容器中分解时的解离压力和NH,(g)和HCl(g)的分压。(2)反应的f和ArS.解：(1)在300 K时，分解反应的标准平衡常数为21 020 K _ 21 020=37.32-=37.32-=-32.75PT 300莺=5.98xl()T5这是一个复相化学反应，设解离压力为夕，则有(2K f =一名=5.98x10-15解得 p=1.547x10-2 PaPNH,=PHQ=g P=7-73 x 10 Pa(2)ArG=-RTin K f=-8.314x300 x(-32.75)J-moP1=81.68 kJ
34、-moL21 020 KdT RT2 T2一r 碎m=21 020 KxR=(21 020 x 8.314)J-moF1=174.76 kJ-mol-1#J r(174.76-81.68)xlQ33 i()3 j K_l m o r lI 30011.在300 K和标准压力下，反应A(g)+B(g)AB(g)的标准摩尔Gibbs自山能的变化值=-8.368 kJ mor1。在同样条件下，以2 mol A和2 mol B按上述方程式进行反应，试计算：(1)反应的平衡转化率。(2)达平衡时，混合物中各气体的摩尔分数。解：(1)设达平衡时，反应物转化为产物的物质的量为aA(g)+B(g)AB(g)t
35、=0 2 2 0t-te 2-a 2-a a=(4-a)molB莺=exp,睿,8 368)8.314x300 J=28.64a p寸=四$28.64PA/P XPB/P F 2-a p T(2-a)(4-a)pe解得：a=1.63 mol平衡转化率为 上 一X1 0 0%=U2X1 0 0%=81.5%2 mol 2(2)混合物中气体的总的物质的量为Z%=(AB)+(A)+(B)B二(1.63+0.37+0.37)mol=2.37 mol4B=0-688Z B 2.37B2-1.63 n.,XA=%=237=。15612.在 400 K 500 K 之间，反 应 PCI5(g)=PCl3(g
36、)+CI2(g)的标准Gibbs自由能变化可由下式给出：A G f/(J-moP1)=83.68xl03-1 4.5 2 r/K x ln(T/K)-72.267/K。试计算此反应在450 K 时 的 G f,/,露 及K：。解：将 450 K 代入A G?的表示式，计算450 K 时 的 的 值ArG=83.68xlO3-14.52x450 xIn450-72.26x450 J-mof1=11.25 kJ mof1K 二=expRT,exp11250 18.314x450 J=0.049,“AG 1 (83.68xlO3InK2=-=-14.52 ln(T/K)-72.26p RT Ry T
37、)ainK、卜熊 83.68xl03 14.52-=-+-(ST J RT2 RT2 RT 此=(83.68 x 1 ()3+14.52 x 450)J-mol=90.21 kJ mor1 W(90.21-11.25)kJ mor-=-=1 /J.J j-K-mol450 K13.在 3 2 3 K 时，下列反应的解离压力为3.9 9 8 k P a2 N aH C O3(s)=N a2C O3(s)+H2O(g)+C O2(g)设气体为理想气体。求算 3 2 3 K时，反应的标准摩尔G i b b s自由能的变化值ArGf。解：这是一个复相化学反应，系统中气体的总压等于两个气体生成物压力的加
38、和，因为 PH.O Pco.3.998 kPa-1.999 kPa所以标准平衡常数=4.0 xl0-4G -R T n K f-8.314x323xln(4.0 xl0-4)J mof1=21.01 kJ mor1标准平衡常数K；。设气体为理想气体，2 9 8 K时的热力学数据如表中所示。Ke：PH2O PCO2 p.999 kPa100 kPa J1 4.在 2 9 8 K 时，有反应S O 2(g)+g c 2(g)S O,(g),试计算反应在该温度下的热力学函数SO2(g)SO3(g)O2(g)A,./(kJ-mor1)S/(J-K-mor)-296.83248.22-395.72256
39、.760205.14解：要计算K；的值，首先要求得反应的Gf。利用所给的热力学数据，先计算反应的卜 成、和 ArS,然后可得到ArG。=1A 碎B=(-3 9 5.72 +2 9 6.83)k J-m o f =-9 8.89 k J-m o W=z 腺 霁B=(2 5 6.76-2 4 8.2 2-x 2 0 5.1 4)J-K-1-m o f12=-9 4.0 3 J -K-1-m o r1=-9 8.89-2 9 8x(-9 4.0 3)x I O-3 k J-moL=70.87 k J m o r1r=ex p=ex pf 7。87。=?.65 x l O 2p R T )8.3 1
40、4 x 2 9 8；这个反应的趋势还是很大的。1 5.在 6 3 0 K 时，反应：2 H g O(s)2 H g(g)+C)2(g)的=4 4.3 k J-m o。试计算：(1)反应的标准平衡常数K；。(2)在6 3 0 K时H g O(s)的解离压力。(3)若 将H g O(s)投入到6 3 0 K,O2(g)的压力为1 0 0 k Pa的定体积容器中，在6 3 0 K时达到平衡，求与H g O(s)呈平衡的气相中H g(g)的分压力。解：K p=e x p -e x p_ i30(8.3 1 4 x 6 3 0=2.1 2 x l 0-4(2)设H g O(s)的解离压力为p ,这是一个
41、复相化学反应，。2稔)的分压为;p,2H g(g)的 分 压 为 则132I=2.1 2 x l 0-4解得解离压力p =1 1.2 7 k Pa(3)因为温度未变，所以标准平衡常数的数值也不变。设这时H g(g)的分压为 地，分解出来的。2出)的分压为;PHg。达平衡时P VP)=(0%+1。皿)四=1 2 x 1 0-P P )解得 pHg=1.45 kPa由于容器中已经有O2(g)存在，所以使H g(g)的分压下降。1 6.某反应在1 100 K 附近，温度每升高1 K,近的。解：阳 1 ,根据题意，x =0.01K-dr K：比原来增大1%,试求在此温度附很困,即-乙=0.01 edr
42、根 据 van,H off公式，匕=-1dT RT2所以 Ar/$=/?r2x0.01 K-=8.314X(1100)2X0.01 J mor1=100.60 kJ-mor11 7.在高温和标准压力下，将水蒸气通过灼热的煤层，按下式生成水煤气：C(石墨)+4 0 值)=H2(g)+CO(g)若 在 1 000 K 及 1 200 K 时的簿 分别为2.472及 37.58,试计算在此温度范围内的摩尔反应熔 变(设 反 应 焰 变 在 该 温 度 区 间 内 为 常 数)，及 在 1100 K 时反应的平衡常数K：(l 100K)。解：根 据 varTt H off的定积分公式In(为R 阴嗤1
43、=喇 康-彘)解得 X.=135.76 kJ-mol融簿(1 100K)_ 135 760 kJ-mo(11 、2.472RU 000K 1 100KJ管(1 100K)=10.921 8.己知N z O g)解离反应的标准平衡常数，在 2 98 K 时为0.1 4 3，在 3 3 8 K 时为2.6 4。试计算:(1)N2O4(g)的标准摩尔解离焰。(2)在 3 1 8 K,1 0 0 k Pa 下，.。式8)的解离度。解：根 据 v a n t H o f f 公式，1 n2叫二簿(G R4 T2)E 2.64.成(1 _1_0.143 R 1298K 338K,解得：=61.04 kJ
44、mor1(2)先求出3 1 8 K时的平衡常数K；(3 1 8 K)bK；(318K)_ 61 040 J-moP1 BAf“R(B)B=110.16+0-(-0.13)kJ-mol-1=110.29 kJ-m of 席=Z%S f(B)B=(130.68+278.85-305.71)J-K-1-mol-=103.82 J K-LmoL=1 1 0.2 9-2 98 x l 0 3.8 2 x l 0-3k J m o r =7 9.3 5 k J-m o f1 A、K(2 98 K)=e x p -货K I J=e x p7 93 5 0 8.3 1 4 x 2 98 J=1.2 3 x 1
45、 0*(2)利用 v a n d e r H o f f 公式1 nK K 二(1)R T jl nK 丁(8 3 0 K)=1 1 0.2 9 k J m o r1(1 _0 1.2 3 x 1 0 7 -8,3 1 4 J-K-1-m o r 1 2 98 K-8 3 0 K J解得 K 丁 (8 3 0 K)=3.0 3 x 1 0 汽可见，对于吸热反应，升高温度可以使平衡常数增大。(3)设反应开始时C 4 H 8(g)为 I m o l,平衡转化率为aC4H8(g)=C4H6(g)+H2(g)r=0 1 o ot-te l-a a a平衡时总的物质的量为 =(1 -a)+a +a +1
46、 5 m o l =(1 6 +a)m o l已知总压夕=2 0 0 k Pa ,则a pa P c H I P&x P w/P&1 6 +a pe),K f(8 3 0 K)=的“_ 空 丫=V-=3.0 3 x 1 0-2 Pw J p e(1 6 +a J pe解得 a =0.3 9如果不加水蒸气，=(l +a)m o l,显然转化率会小得多。21.已 知 反 应 C O C L G)CO(g)+C U(g)在37 3 K 时 的 标 准 平 衡 常 数=8.0 x10-9,ArS =125.5 J-K-m of1,试计算(可以作合理的近似)(1)在 37 3 K,总压为2 0 0 1
47、时 0。2值)的解离度。（2）在37 3 K时，反应的4？。（3）当总压为200 k Pa时，要 使 0。2口）的解离度。=0.001，应该控制的反应温度，设A C.m=0。解：(1)设在37 3 K时的解离度为aCO Cl2(g)CO(g)+Cl2(g)/=0 1 0 0t=te-a a a总的物质的量为 l-a +a +a =l +a解得 a =6.32xl0-5(2)G=-R T n K f=-8.314x 37 3x ln(8 x 10-9)J -m of1=57.8 2 k J m or 此=欧+=(57.8 2+125.5x37 3x10-3)k J.m o=104.6 3 k J
48、 m or1(3)当a =0.001时;设需控制的温度为马，这时的平衡常数为K?(7；)K/(弓)=-7 空 B 2a 2=2x10-i-a (p J利用公式唠区)RyT j,2 XW6 104.6 3xlO3f 1 1 18 x10 8.314(37 3 T2/K)解得 =446 K22.设在某一温度和标准压力下，有 定量的PC15(g)的体积为l.0d m 3,其解离度设为0.50,通过计算说明，在下列几种情况下，PCh(g)的解离度是增大还是减小。设气体都是理想气体。(1)降低气体的总压，直到体积增加到2.0 d n?。(2)通入N 2(g),使体积增加到2.0 d n?,而压力仍为10
49、0 k Pa。(3)通入N 2(g),使压力增加到200 k Pa,而体积维持为L O d n?。(4)通入CU(g)，使压力增加到200 k Pa,而体积维持为1.0 d n?。解：首先要利用已知条件，计算出在该反应温度下的标准平衡常数的值。设PCL(g)的解离度为a，解离反应如下PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)f =0 10 0t=te 1-aa aZ B =l +a根据D a lt on分压定律，当系统的总压为p时，各物质的分压PB=*BP(PCh)=7-xp,p(C2)=-xp,/?(PC13)=1 +。1 +a 1 +。代入标准平衡常数的计算式，并整理得$/(PCI 3)/
50、x M。)/二片 pP P(PCL)/p$p$已知在该反应温度下，当总压夕=100 k Pa时，解离度a =0.50,在该温度下的标准平衡常数(0.50)-100k Pa=0 3 3P(1-0.502)100 k Pa(1)在降低总压，体积增加到2 0 d m 3时，设解离度为四。因为保持温度不变，所以标准平衡常数的值也不变，这时系统的总压目 的值可计算如下:在等温条件下，对于理想气体有 皿=心p?xlxlO 3m3 _ P i x2xl0-3m3(1+0.5)m ol(1+，)m ol解得代入平衡常数的计算式，c=n亲B P Je仁川亲卜口R P Je Ba：”(1+囚)_-a-3解得 四=