2022年考研物化试卷

1、452华南理工大学2022 年攻读硕士学位争辩生入学考试试卷(试卷上做答无效，请在答题纸上做答，试后本卷必需与答题纸一同交回)科目名称：物理化学(二)适用专业：材料物理与化学 材料学 材料加工工程 化学工程 化学工艺 生物化工应用化学 工业催化 能源环境材料及技术 生物医学工程 应用化学试题点评：本套题过于综合(如计算题 1，2，8)，有些学问点太多重复，而有些学问点没有考察到，是一份偏难且内容偏多的试题。本人在计算机上足足花了近 10 小时方做完。下面的参考答案是本人做的，没有参考标准答案，所以可能有错误。假设觉察， 请用电子邮件与葛华才教师联系(ge1963126 )。感谢！一计算题202

2、2 年 1 月 4 日 21:33 修改如下图：一个缸壁和活塞均为绝热的气缸被一固定的导热隔板分为两部份，靠近活塞的局部里有1mol 氢气，另一局部里有 0.005mol 氧气和 0.01mol 一氧化碳，反响开头前两局部的温度均为25，反响过程中活塞所受的压力恒定，假定导热隔板热容为零，活塞运动无摩擦，一氧化碳的氧化反响可以 进展到底，全部气体均为抱负气体。求从反响开头到完毕并到达热平衡时整个气缸系统的Q、W、U、H。二氧化碳和氢气的Cp,m均为 3.5R，一氧化碳和二氧化碳在25下的标准摩尔生成焓分别为：110.525 kJmol1、393.609 kJmol1。(16 分)解：缸壁和活塞

3、均为绝热，故整个气缸系统无热交换，即 Q=0。对隔板固体的左边系统状态变化为恒容过程，可设想如下：0.005mol O (g)+ 0.01mol CO(g) 25，恒V 0.01mol CO (g) t，恒V 0.01mol CO (g)过程 Q2= Q+ Q= (v H v RT)+n(CO)(C22R)(T298.15K)左r，Vt,VB B fBB B2p,m=0.01(393.609+110.5250.50)kJ(0.58.315298.15)J+0.012.58.315(T/ K 298.15)J= 2880.4+0.2079T/K对于带有活塞的右边系统，发生恒压变化，即1mol H

4、 (25，p, V ) 1mol H (t，p, V )2122过程热 Q右=n(H )C2(T298.15K)= 13.58.315(T/ K 298.15)J=(29.10T/ K 8676.9)Jp,m总热效应 Q = Q+Q左右=(2880.4+0.2079T/K +29.10T/ K 8676.9)J=0得T=394.31KW = W+W左右=0p(VV )= -n(H21)R(T298.15K) = 18.315(394.31298.15) J2= 799.6JU = W+Q = W = 799.6JH =U+pV =U+(pV)+(pV)左右= 799.6J+n(CO )RT n

5、(CO)+ n(O)R298.15K799.6J22= 1599.2J+8.315(0.01394.310.015298.15)J=1604J10mol 氧气、1mol 氢气和 1mol 过热冰在一温度为 25，压力为 100kPa 的反响器中进展恒温恒压反响，假定平衡时化学反响已进展到底，求从反响开头到系统处于平衡态时系统的 Q、W、U、H、S、F、G。氢气、氧气、和液态水在 25时的标准熵分别为：130.684Jmol1K1、205.138Jmol1K1、69.91Jmol1K1，液态水在 25时的标准摩尔生成焓为 285.830kJmol1，饱和蒸气压为 3.167kPa，冰在 0时的可

6、逆熔化焓为 5.999 kJmol1，水在100时的可逆蒸发焓为 40.668 kJmol1，水蒸气、水和过热冰的Cp,m 分别为33.577Jmol1K1、75.291Jmol1K1、36.000 Jmol1K1，无视热容随温度的变化、分散态受压力的影响及分散态的体积，全部气体可近似看成抱负气体。(16 分)解： 反响过程为1 mol H (g) + 10mol O (g)+1mol H O(s) 9.5mol O (g)+2mol H O(l)22222依据基希霍夫公式，可算 25时 1mol H O(s)的溶化焓为2H=15999+(75.29136.00)25J=6981Jfus1mo

7、l 水的生成焓为 285.830kJ，所以整个过程的焓变为Q =H= 285.830kJ+6.981kJ= 278.849kJpW=p(V V2)= (9.511)molRT= 1.58.315298.15J=3719J1U= Q +W = 278.849kJ+3.719kJ= 275.15kJp对于 25时冰的熔化过程，设想如下1mol H O(s，25) 1mol H O(s，0)1mol H O(l，0) 1mol H O(l，25)熵变 S2=nC2(s)ln(273.15/298.15)+n2H(0) /273.15K+ nC2(l)ln(298.15/273.15)1p,mfusp

8、,m= (75.29136.000)ln(298.15/273.15)+5999/273.15 JK1=25.40 JK1反响熵变 S = (69.91130.6840.5205.138)JK1= 163.3JK12总熵变S=SS= (25.40163.3) JK1= 137.9 JK112(F 即 A)F=UTS = 275.15kJ298.15(0.1379)kJ= 234.0kJG=HTS = 278.849kJ298.15(0.1379)kJ= 237.7kJ20时，苯的饱和蒸气压是 13.332kPa，辛烷的饱和蒸气压是 2.6664kPa，假设将1mol 辛烷溶于 4mol 苯中，

9、形成的溶液是抱负溶液，计算：该溶液的总蒸气压；气相组成(用物质的量分数表示)；将气相完全冷凝后,并让其到达气液平衡，问此时的气相组成有多少？(15 分)解：(1) p= p*xp总苯苯*x=(13.3320.8+2.66640.2)kPa=11.199kPa辛烷辛烷y= p苯*x/p苯苯= 13.3320.8/11.199=0.9524总y=10.9524=0.0476辛烷这时气相组成即为液相组成，所以y= p*x苯苯/( p苯*xp苯苯*x)=13.3320.9524/(13.3320.9524+2.66640.0476)辛烷辛=0.9901y=10.9901=0.0099辛烷rm从上计算结

10、果说明，通过不断气化和冷凝，气相组分朝纯易挥发组分(苯)靠近。rm反响 C(石墨) = C(金刚石)25时， H $=1880Jmol1， S$= 3.31JK1mol1，金刚石和石墨的密度分别为 3.51gcm3 和 2.22gcm3。导出 G$= f (T)的关系式，并用此式计算500K 的 G$值，计算的时候假定H $ ， S$r mrm是常数。rmrm计算 500K 反响处于平衡时的压力。问在 25, 标准压力 100kPa 时哪一种形式的碳在热力学上更为稳定，这种形式的碳在全部的T 和 100kPa 时都稳定吗？rmrm你用哪两个反响的 H $ (简洁测定)来确定上述反响的 H $

11、。依据上述计算你认为承受什么实际条件可以从石墨制造金刚石？ (15 分)解：(1) 利用基希霍夫公式可得 G$ (T)= H $ (T)T S$=1880Jmol1T(3.31JK1mol1)rmrmr m=(1880+3.31T/K) Jmol1T=500K 时 G$(T)= 3535 Jmol1rm依据 d G=Vdp 得平衡时有Tm G = G$ (500K)+ V(pp)=3535Jmol1 12.01 (1/3.511/2.22) 106 rmrmr m(p105Pa)=0即p = 1.778109Pa相当于 17780 个大气压。依据第(1)局部计算结果，在 100kPa 时，任何

12、温度下均有 G$(T)0，所以，在标准压rm力的任何温度下，C(石墨)热力学上更稳定。rm可用测标准燃烧反响焓或标准生成反响焓来计算上述反响的 H $ 。从上述结果说明，通过增加压力的方法有可能从石墨制造金刚石，试验上也通过加压到 20220 大气压下成功合成金刚石，但转变温度无法实现。在 298 K 时，电池 PtHH+ OHO2Pt 的标准电动势E$2= 0.40 V，水的标准摩尔生成焓G$ = 237.2 kJmol1。求解离过程 H O(l) H+(aq) + OH(aq) 的 G$ (解fmrm2离) 和水的离子积 K。(15 分)w解：电池过程：正极： (1/2)O (g)+H O

13、(l) +2e2OH22负极： H(g)2H+2e2反响：H(g)+(1/2)O (g)+H O(l) 2H+2OH， G$= 2F E$222rm ,1水的生成反响H(g)+(1/2)O (g) H O(l)， G$= G$222rm ,2fm反响(1)反响(2)/2 即为水的解离过程 HO(l) H+OH，所以2 G$(解离)( G$ G$)/2 = ( 2F E$ G$)/2rmrm ,1rm ,2fm= (2965000.40237200) Jmol1/2= 80.0kJmol1rmK=a(H+) a(OH)=K=exp G$w(解离)/RT=exp(80000/8.315/298)=

14、0.95161014计算下述电池于 298 K 时的电动势并推断电池的反响方向： CuCu(OH) (s)OH(0.1 molkg1) Cu2+(0.1 molkg1)Cu2标准电极电势E$ (Cu2+/Cu) = 0.337 V， E$ Cu(OH) (s)/Cu = 0.224 V。 (15 分)2解：电极反响：正极：Cu2+(0.1 molkg1) +2eCu负极：Cu2OH(0.1 molkg1)Cu(OH) (s) +2e2电池反响：Cu2+(0.1 molkg1)2OH(0.1 molkg1) Cu(OH)(s)2E E$ (0.05916V/2)lg1/a(Cu2+) a(OH)

15、2=(0.337V+0.224V)0.02958Vlg1/(0.10.12)=0.472V因 E0，电池反响正向进展。留意：题目没有给出活度，因此只能把浓度当作活度计算。NaClH O 所组成的二组分体系。在21时有一个低共熔点。此时，冰、NaCl2H O(s)22和浓度为 22.3%(质量分数)的 NaCl 水溶液平衡共存。在9时不稳定化合物(NaCl2H O)2分解，生成无水 NaCl 和 27%的 NaCl 水溶液。不稳定化合物NaCl2H O 中 NaCl 的质2量分数为 0.619；无水NaCl 在水中的溶解度受温度的影响不大(当温度上升时，溶解度略有增加)。试绘出相图，并指出各局部

16、存在的相态和自由度；假设有 1000g 28%的NaCl 溶液，由 160冷到10，问此过程中最多能析出多少纯NaCl？以海水(含 2.5% NaCl)制取淡水，问冷到何温度时析出淡水最多?(15 分)解：(1) 相图如下，各区域的相态见相图中，其中 l 为溶液。各区域的自由度 F=CP+1=3P，单相区 F=2，双相区 F=1，三相线 F=0。60G20l + NaCl(s)80l40l + NaCl2H O(s) + NaCl(s)H O(s) + l20 OS ”2L”S3-401SLl + NaCl2H O(s) S22H O(s) + l + NaCl2H O(s)NaCl2H O(

17、s)+ NaCl(s)22H O(s) + NaC2 l2H O(s)11/t0.0H O20.20.420.62NaCl2H O0.81.0NaCl2NaCl 与HO 二组分w 系统恒压相图2NaCl含 28% NaCl 的水溶液，从温度 160降到无限接近9时析出的是NaCl，当温度连续降低时，析出二水盐。在此过程中，析出最多的NaCl 的量可用 T 无限靠近9时用杠杆原理来计算，即W +WLNaCl= 1.00 kg，W (2827)=W(100)L求解可得 WNaCl= 1.00kg / 73 = 0.0137kgNaCl接近21时，析出的冰(淡水)最多。在一密闭容器中，反响物 A、B

18、 以等物质的量进展某气相反响A(g)+B(g)k1k-1C(g)，已知 298K 时，k =2.1105 Pa1s1，k=51012 s1，当温度上升到 310K 时，测得 k 和 k的1111值均增加 1 倍，设气体均为抱负气体，计算：298K 时反响的平衡常数 Kp正逆反响的试验活化能；和 K $ ；298K 时反响的H $ 和 G$ ；rmrm298K 时，假设反响物起始总压为 100kPa，要使总压到 60kPa，需要多长时间？(15 分)解：(1) K =k /k=2.1105 Pa1s1/51012 s1= 4.2106 Pa1p11K $ = B (p/p)v= KBBp(p)-

19、vB = Kp=4.2106 Pa-1105Pa = 4.21011pE=Ea,+a,=RTTln(k/k)/(TT)=8.315310298ln(2)/(310298)kJmol1= 44.37kJmol1恒容反响 Ur= Em E=0a,+a, H $= U nRT018.315298 Jmol1= 2478 Jmol1rmrmr B G$= RTln K $= 8.315298ln(4.21011) Jmol1= kJmol1rm(4)A(g) + B(g) C(g)t=0pp000p=2p总，00t=0ppppp=p p0总0动力学方程dp/dt=kp2k(p p)= k p2+(pp

20、 )/K 11010p移项dp/p2+(pp )/K k dt0p11/(pa)1/(pb)dp/(ba)= k dt1积分得ln(pa)(p b)/ (p a)(pb)/ (ba) =k t其中 p = p0/2= 50kPa，p = p01p 60kPa50kPa =10kPa，0总，0总0方程 p2+(pp )/K 0 的根为0pa= K1+( K 2 +4p K1)1/2/2pp0p= (4.2106)1+(4.2106)2+450000(4.2106)11/2Pa/2=0.1091Pab = K 1( K 2 +4p K1)1/2/2pp0p= (4.2106)1(4.2106)2+

21、450000(4.2106)11/2Pa/2= 0.1091Pa所以t =ln(pa)(pb)/ (p a)(pb)/ k(ba)001=ln(100000.1091)(50000+0.1091)/(500000.1091)(10000+0.1091)/ 2.1105 Pa1s1(0.10910.1091)Pa=3.81s因逆反响速率常数很小，故逆反响影响可无视，这时 dp/dt=k p2积分得 p1p11=k t0即t=( p1p11)/k=(10000)1(50000)1/2.1105 Pa1s1= 3.81s01结果一样。因此，此题建议承受近似法处理，否则计算过于麻烦和费时间，出题时假设加上忽略逆反响的影响更为合理些！二简答题试用热力学第一和其次定律证明任何封闭系统从一个一样始态到一个一样末态的全部过程中，以可逆过程对外做功最大，承受环境的功最小。 (7 分)证明：依据功的定义 W = p dV, 设系统与环境间存在压力差p=pp ，因此有eeW=p dV = (pp)