化工熱力學(xué)習(xí)題8

1、 第8章化學(xué)反應(yīng)平衡一、是否題1化學(xué)平衡常數(shù)在低壓下可以視為一個(gè)僅與溫度有關(guān)的常數(shù)；而在高壓下，T和p應(yīng)該對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)均有影響。錯(cuò)?；瘜W(xué)平衡常數(shù)僅是溫度的函數(shù)，與壓力無關(guān)。2很明顯，反應(yīng)物的濃度或壓力可以使化學(xué)平衡移動(dòng)，所以就可以改變平衡常數(shù)。錯(cuò)?；瘜W(xué)平衡常數(shù)僅是溫度的函數(shù)。3改變反應(yīng)溫度，不但可以使化學(xué)平衡移動(dòng)，而且可以改變平衡常數(shù)。對(duì)?；瘜W(xué)反應(yīng)的AG0是該反應(yīng)進(jìn)行方向的判據(jù)。錯(cuò)。應(yīng)該是AG。t化學(xué)反應(yīng)的AG0是該反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行方向的判據(jù)。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)Gibbs函數(shù)的變化大于零，則該反應(yīng)是不可能進(jìn)行的。對(duì)。初始時(shí)系統(tǒng)內(nèi)存在的CH4、H2O、CO和H2分別是2mol、lmol、1mol和

2、4mol,當(dāng)發(fā)生了e（0）422反應(yīng)進(jìn)度的氣相反應(yīng)CH+HOCO+3H后，則系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的量不會(huì)變化。422錯(cuò)?？梢詫?dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)總物質(zhì)的量與反應(yīng)進(jìn)度的關(guān)系是工n=8+2,所以，系統(tǒng)的總物質(zhì)的量是i增加的。若化學(xué)平衡常數(shù)隨著溫度的升高而升高，則反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)焓變化AH0為正值對(duì)。因?yàn)閐lnKAHoRT2無論在T，p一定，或U,V一定，或T，V一定條件下，對(duì)于封閉系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，總是有G為極小值。錯(cuò)。對(duì)于封閉系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在U,V定條件下，S是極大值；U,V定條件下，A是極大值；T，p一定條件下，G是極小值。、IA-Ar口工二、計(jì)算題1.一容器中開始有物質(zhì)的量為n0的水蒸氣，分解成為氫氣和氧氣的反應(yīng)進(jìn)度

3、為8，求各組分的物質(zhì)的量和摩爾分?jǐn)?shù)。解：反應(yīng)式為HOH+0.5O，各組分的物質(zhì)的量和摩爾分?jǐn)?shù)可以表示如下。222組分H2O(g)起始物質(zhì)的量n0平衡物質(zhì)的量平衡摩爾分?jǐn)?shù)no-n-0n+0.50H2（g）n+0.500.5n+0.50.5n+0.5012若系統(tǒng)發(fā)生了兩個(gè)反應(yīng)CH+HQ42CH+2HO42CO+4H22初始時(shí)系統(tǒng)中只有2molCH4和3molH，O,用兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)度和來表達(dá)平衡組成。4212解2-y=Tl,yCH45+2+2CO21225+2+212H2O3-TL,y5+2+2H2123+4T2-,y5+2+2co21215+2+2123對(duì)于理想氣體的化學(xué)反應(yīng)：CH+HOCHOH，在

4、145C下，當(dāng)壓力為1bar時(shí)的平衡常24225數(shù)K=682X10-2,145C和10bar下的平衡常數(shù)為：a解K=6.82X10-2。（因?yàn)槠胶獬?shù)僅是溫度的函數(shù)。）a4.對(duì)于理想氣相反應(yīng)A2B，在400K,2bar時(shí)K=45.6，計(jì)算從純A開始反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率。a解組分起始物質(zhì)的量平衡物質(zhì)的量平衡摩爾分?jǐn)?shù)A(g)11一x(1一x)/(1+x)B(g)02x2x/(1+x)工1+x121=45.6K=Kp工ay2x/(1+x)2(1一x)/(1+x)nx=0.9225.對(duì)于理想氣相反應(yīng)A+BC+D，在400K，1bar下從ImolA和ImolB開始，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，可以得到075mol的C,若

5、從3molA和ImolB開始，在同樣條件下達(dá)到平衡時(shí)，求可以得到C的物質(zhì)341 的量。組分第一種情況第一種情況起始物質(zhì)的量平衡物質(zhì)的量摩爾分?jǐn)?shù)起始物質(zhì)的量平衡物質(zhì)的量摩爾分?jǐn)?shù)A(g)10.250.12533一nc(3-n)c/2B(g)10.250.12511一nc1-n/2cc(g)00.750.3750ncn/2c0.00.750.3750ncn/2c2121K=K匹uay0.1225=Ai0.37*25u=3，3。反應(yīng)進(jìn)度的定義為1)(務(wù)n)/2Hni)丿2ccX1(n/22)cnn=0.951c6.對(duì)于理想氣相反應(yīng)A+BC，在2O0C和2bar時(shí)，K=15,求（1）按反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量的化

6、學(xué)反a應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率，（2）按ImolA，ImolB和1mol惰性組分的平衡轉(zhuǎn)化率。解（1）75%；（2）67.6%在化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算中，氣相組分、液相組分、固相組分所取的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是什么？氣相組分：系統(tǒng)溫度、常壓下的純理想氣體；液相組分：系統(tǒng)溫度、常壓下的純液體；固相組分：系統(tǒng)溫度、常壓下的純固體。設(shè)初始時(shí)某體系中H2S與H2O的摩爾比為1：3,并進(jìn)行以下氣相反應(yīng)：HS+2HO=3H+SO2222試推導(dǎo)用反應(yīng)進(jìn)度表示的組分摩爾分?jǐn)?shù)的普遍關(guān)系式。解：用下標(biāo)1表示H2S,2表示H2O,3表示H2,4表示SO2，反應(yīng)式為H2S+2H2O=3H2+SO2由此可知化學(xué)計(jì)量數(shù)u=-1，u=-2,由題中所給條

7、件知體系初始時(shí)，=0，n=1，n=3，12n=n=0，對(duì)式（1）進(jìn)行積分，可得某一12時(shí)刻各物質(zhì)的量10 積分得n=1-e1同理，可得n=32e,n=3e,n=e?？偰枖?shù)為n=工n=4+e,因此用反應(yīng)進(jìn)度表示的組234ii分摩爾分?jǐn)?shù)的普遍關(guān)系式為y=(1e)/(4+e)，y=(32e)/(4+e)12y=3e/(4+e)，y=e/(4+e)349已知合成甲烷氣的一個(gè)反應(yīng)為3H+CO=CH+HO242該氣相反應(yīng)的平衡問題很重要。為了進(jìn)行研究，需要把平衡常數(shù)K表示為反應(yīng)進(jìn)度的函數(shù)。如果初始時(shí)混合物中H2與CO的摩爾比為4：1試推導(dǎo)該關(guān)系式。解：用小標(biāo)1代表H2，2代表CO,3代表CH4,4代表H

8、2O,反應(yīng)式為3H+CO=CH+HOTOC o 1-5 h z242由此可知化學(xué)計(jì)量數(shù)u=3，u=-1，u=u=1。各物質(zhì)量的變化與反應(yīng)進(jìn)度的關(guān)系式為1234dn=ude(1)ii由題中所給條件,知體系初始時(shí),e=0,n=4,n=1,n=n=0,若達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)進(jìn)度為e,1234e則對(duì)式(1)積分可得各物質(zhì)的量Jdn=3了d110得n=43e1同理，可得n=1e，n=n=e?？偰枖?shù)n=En=52e，平衡時(shí)各物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)為2e34eieiy=(43e)/(52e)，1eey=(1e)/(52e)，2eey3=y4=e/(52e)e本題研究的反應(yīng)是氣相反應(yīng)，純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)逸度取f=101.32

9、5kPa，平衡常數(shù)表達(dá)式為iK=n(f/f)u;=n(y6p/101.325)yiiii2)ii將化學(xué)計(jì)量數(shù)及用反應(yīng)進(jìn)度表示的平衡組成代入式(2)，得101.325K=(-p八八eee2(52e)2)234ee丿八八(e)3e(43e)3(1e)12ee10.已知在35C,101.325kPa下達(dá)到平衡時(shí)N2O4變?yōu)镹O2的解離分率為027,此條件下氣體可當(dāng)作242理想氣體處理。1)試求該氣相反應(yīng)的平衡常數(shù)K；(2)計(jì)算在35C，13.33kPa下達(dá)到平衡時(shí)的反應(yīng)進(jìn)度；(3)已知溫度為318K和298K時(shí)，N2O4解離的平衡常數(shù)分別為0.664和0.141,試計(jì)算在此溫度范圍內(nèi)的平均反應(yīng)熱。解

10、：用下標(biāo)1表示N2O4,2表示NO2，化學(xué)反應(yīng)式為NO=2NO242得到u=-1，u=2。初始時(shí)，=0，并設(shè)片=1,n2=0，則達(dá)到平衡時(shí)8=8，ni=1-e，n2=2e，1212e1e2n=1+8，平衡時(shí)的摩爾分?jǐn)?shù)為eTOC o 1-5 h zy=(1-8)/(1+8)，y=28/(1+8)(1)1ee2ee由于氣體可看作理想氣體處理，并取參考態(tài)壓力為101.325kPa，于是化學(xué)反應(yīng)平衡參數(shù)為pypy22)3)5)k=n(i)ui=2101.325101.325yi1將式(1)代入式(2)，得用反應(yīng)進(jìn)度表示的反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式為p482p482K=e=e101.325(1+8)(1-8)1

11、01.325(1-82)eee(1)由于達(dá)到平衡時(shí)N2O4變?yōu)镹O2的解離分率為0.27，即解禺分率=(1一叫)/1=8=0.271e將式(4)及已知的壓力數(shù)據(jù)代入式(3)，得反應(yīng)平衡常數(shù)值為K=0.315(2)由式(3)得一”4p/101.325+K由于平衡常數(shù)K僅與溫度有關(guān)，而與壓力無關(guān)，于是當(dāng)壓力變?yōu)?3.33kPa時(shí)，由式(5)便可求得平衡反應(yīng)進(jìn)度為=0.612e(3)平均反應(yīng)熱可由它與化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的關(guān)系求得RTTKAH0=1一2In1=61.0k41mol(T-T)K12211.設(shè)已知甲醇可以由CO加h2按下列反應(yīng)制取CO(g)+2H(g)TCHOH(g)23且反應(yīng)是在400K，

12、101.325kPa下進(jìn)行的。通過分析，從反應(yīng)器得到的平衡氣相產(chǎn)品中，H2的含量為40%(摩爾百分?jǐn)?shù))。(1)假設(shè)為理想氣體，試確定平衡產(chǎn)品中CO與ch3oh的組成；(2)如果反應(yīng)在500K，101.325kPa下進(jìn)行，初始物料與(1)相同，能否希望平衡產(chǎn)物中的H2的組成大于或小于40%?(設(shè)氣體為理想氣體。)已知：上述反應(yīng)在400K時(shí)K=152,AH0=-94.54kJ。解：用小標(biāo)1表示CO,2表示H2，3表示CH3OH,由反應(yīng)式1) CO(g)+2H(g)TCHOH(g)23知化學(xué)計(jì)量數(shù)u=-1，u=-2,12u=1。對(duì)理想氣體，平衡常數(shù)為3k=n101.325iy101.325)U=廠()2yy2p12將y3=1y1y2代入式(1)，得1yy101.325K=12(y