2022年考研物化试卷

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エ应用化学エ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オ教师联系(ge1963@126)。,感谢!2022年1月4日21:33修改--计算题.如下图：ー个缸壁和活塞均为绝热的气缸被ーI ■ 固定的导热隔板分为两部份，靠近活塞的局部里有Imol| 氢气，另一局部里有0.005mol氧气和0.01mol—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カ恒定,假定导热隔板热容为零，活塞运动无摩擦，ー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。、W、XU、二氧化族和氢气的C 八m均为3.5R,ー氧化/和二氧化碳在25C下的标准摩尔生成焰分别为:-110.525klmoロ、-393.609kJmol-i«(16分)解：缸壁和活塞均为绝热,故整个气缸系统无热交换，即。=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〇(g)+0.0ImolCO(g) 0.01molCO(g)'.恒">0.0ImolCO(g)过程Q,=Q-+0=虱XvA”vR7)+〃(C0,)(C-R)①298.15K)a.r»vf,V t>diddn zp,m=0.01x[(-393.609+110.525-0.5XO)kJ一(-0.5X8.315X298.15)J]+{0.01X2.5X8.315X(77K-298.15)}J=-2880.4+0.207977K对于带有活塞的右边系统,发生恒压变化,即lmolH425℃,レ)fImolH(r,p,レ)过程热。七二〃(HJC(7^298.15K)=[1X3.5X8.315X(77K-298.15)]J=(29.1077K-8676.9)J总热效应Q=。,+。行=(-2880.4+0.207977K+29.1077K-8676.9)J=0得P=394.31KW=叫「+%=O-p(V2-VI)=-n(H2)/?(7^298.l5K)=-1X8.315X(394.31-298.15)J=-799.6J△U=W+Q=W=-799.6J二AU+△"レ=Af/+A(/?V),+A(pV),=一799.6J+〃(COJR7^[〃(CO)+〃(0,)]RX298.15K-799.6J=-1599.2J+8.315X(0.01X394.31-0.015X298.15)J=-1604JlOmol氧气、Imol氢气和Imol过热冰在ー温度为25℃»压カ为lOOkPa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、Aリ、NH、AS、ARAG。氢气、氧气、和液态水在25℃时的标准炳分别为:130.684JmoiK-i、205.138JmoiKT、69.91JmoHK«,液态水在25c时的标准摩尔生成焙为-285.830kJ-moH,饱和蒸气压为3.167kPa,冰在0C时的可逆熔化焙为5.999kJmol-i,水在100c时的可逆蒸发熔为40.668kJmol-h水蒸气、水和过热冰的C分别为33.577J-mol-i-K-i>75.291Jmol-i-K\36.000J 无视热容随温度的变化、分散态受压カ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1molH(g)+lOmo!〇(g)+lmolHO(s)-9.5molO(g)+2molH0(1)依据基希霍夫公式,奇算25C时1ねH?0⑸4溶化焙为AfuH=lX[5999+(75.291-36.00)X25]j=6981JImolキ的生成焰为ー285.830kJ,所以整个过程的焙变为q〃=A//=-285.830kJ+6.981kJ=-278.849kJW=-p(V2-V1)="(9.5-ll)molX/?r=1.5X8.315X298.15J=3719J△U=Q+W=-278.849kJ+3.719kJ=-275.15kJ对于25℃时冰的熔化过程,设想如下ImolHO(s,25℃)-ImolH〇⑸0℃)-lmolH0(1,0℃)-ImolH0(1,25℃)精变AS=〃七(s)ln(273.15/298.15)+nAH(0℃)/273.1R+(l)ln(298.15473.15)=[(75.291-36.000)Xln(298.15/273.15)+5999/273.15]JK->=25.40JK-i反响矯变AS=(69.91-130.684-0.5X205.138)JK-i=-163.3JK'总嫡变A5=AS]+AS,=(25.4Q-163.3)JK->=-137.9JK->(F即A)AF=AU-7AS=-275.15kJ-298.15X(-0.1379)kJ=-234.0kJ△G5H-TXS=-278.849kJ-298.15X(-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Imol辛烷溶于4moi苯中,形成的溶液是抱负溶液，计算:(1)该溶液的总蒸气压:(2)气相组成(用物质的量分数表示)：(3)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)。总=P**x*+タマ・x”「(13.332X0.8+2.6664X0.2)kPa=11.199kPa(2)y=p*xIp=13.332X0.8/11.199=0.9524y=1-0.9524=0.0476(3)这时气相组成即为液相组成,所以y产PJx …*x)=13.332X0.9524/(13.332X0.9524+2.6664X0.0476)=0.9901y*Cf99°l=°0099从上计算结果说明,通过不断气化和冷凝，气相组分朝纯易挥发组分(苯)靠近。.反响C(石墨)=C(金刚石)25℃时，ユ空=1880J-moiAr5^=-3.31JK-i-mol-i,金刚石和石墨的密度分别为3.51g・cm-3和2.22g-cm-3。(1)导出AG$=a。的关系式,并用此式计算500K的△G’值,计算的时候假定厶"S,rm rm rm'ゼ:是常数。(2)计算500K反响处于平衡时的压カ。问在25℃,标准压カlOOkPa时哪ー种形式的碳在热力学上更为稳定,这种形式的碳在全部的7和lOOkPa时都稳定吗?(3)你用哪两个反响的△,空(简洁测定)来确定上述反响的，空。(4)依据上述计算你认为承受什么实际条件可以从石墨制造金刚石?(15分)解：(1)利用基希霍夫公式可得A%7>AW$(7)-TAS$=]880Jmol-i-TX(-3.31J-K-i-mol-i)rm rm rm=(1880+3.3177K)Jmol-iT=500K时厶G$(q=3535j.mo|-i(2)依据d(；=Vdp得平衡时有TmAG=AG$(500K)+AV(p-pヨ)=3535Jmol-i+12.01X(1/3.51-1/2.22)X10-6Xrmrm rm(p-105Pa)=0即p=1.778X109pa相当于!7780个大气压。依据第(1)局部计算结果,在!OOkPa时,任何温度下均有△G$(T)>0,所以,在标准压rmカ的任何温度下,C(石墨)热力学上更稳定。(3)可用测标准燃烧反响焰或标准生成反响焰来计算上述反响的厶(4)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298K时，电池Pt|H,丨H+..OH-|0JPt的标准电动势E$=0,40V,水的标准摩尔生成焰厶^=-237.2kJ-mol-'o求解离过程与。(1)-H+(aq)+OH(aq)的ハル(解离)和水的离子积(15分)解:电池过程:正极:(1⑵O,(g)+H,〇⑴+2e-2OH-负极:H2(g)^2H++2e-反响：H(g)+(1/2)0(g)+H0(1)f2H++2OH-,AGi=-2FE$

2 2 2 rmI水的生成反响 H(g)+(1/2)0(g)一H0(1),△Gs=Ags[反响(1)一反响(2)]/2即为水的解离过程H,〇⑴fH++OH-,.所以AG$(解离)=(厶〇’_AGs)/2=(-2尸Es-AG$)/2rm rm.1rm fm=-(2X96500X0.40-237200)Jmol-«/2=80.0kJmol-i幻=£73+)a(OH-)=/P=exp[-A£(解离)/叩=exp(-80000/8.315/298)=0.9516X10*.计算下述电池于298K时的电动势并推断电池的反响方向:Cu|Cu(OH)(s)IOH(0.1molkg-')..Cu2+(0.1molkg-i)|Cu标准电极电势E$(Cu2+/Cu)=0.337V,E$[Cu(OH)(s)/Cu]=-0.224V»(15分)解：电极反响：正极:Cu2+(0.1molkg-1)+2e-Cu负极:Cu+2OH(0.1mol.kgT)fCu(OH),(s)+2e-电池反响:Cu2+(0.1molkg-1)+2OH-(0.1molkg-i)=Cu(OH)(s)E=Ei-(0.05916V/2)lg{l/a(Cu2+)a(OH-)2)=(0.337V+0.224V)-0.02958VXlg{l/(0.1XO.P)}=0.472V因F>0,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。7.NaCl-HO所组成的二组分体系。在"21℃时有一个低共熔点。出时,冰NaCl-2HO(s)和浓度为22.3%(质量分数)的NaCI水溶液平衡共存。在ー9℃时不稳定化合物(NaCl-2tf,O)分解，生成无水NaC!和27%的NaCI水溶液。不稳定化合物NaCl-2H0中,NaCI的质ユ量分数为0.619,无水NaCI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)。(1)试绘出相图,并指出各局部存在的相态和自由度;(2)假设有1000g28%的NaCI溶液，由160℃冷到ー10℃,问此过程中最多能析出多少纯NaCI?(3)以海水(含2.5%NaCI)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I为溶液。各区域的自由度F=C-P+\=3-P,单相区尸=2,双相区ド=1,三相线F=0。1601201601208040040.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0"ftaC!与H〇二组分索嗦積速相图NaC2 N©(2)含28%NaCl的水溶液,从温度160℃降到无限接近一9℃时析出的是NaCL当温度连续降低时,析出ニ水盐。在此过程中，析出最多的NaCl的量可用ア无限靠近一9℃时用杠杆原理来计算,即%+汗NaCl=100kg,求解可得WL=1.00kg/ソザ=0.0137kgNaCl(3)接近一21C时,析出的冰(淡水)最多。亠亠、,亠, ”,一,, 一」A(g)+B(g),1卜C(g)8.在ー密闭容器中,反响物A、B以等物质的量进展某气相反响 ,已知298K时,k=2.1xl0-5pa-i-s->,k=5xlO-i2s-i,当温度上升到310K时,测得ん和セ的值均增加1倍,设气体均为抱负气体，计算:(1)298K时反响的平衡常数K,和Ks；(2)正逆反响的试验活化能;P298K时反响的厶Hi和AG$；rmrm(4)298K时,假设反响物起始总压为lOOkPa,要使总压到60kPa,需要多长时间?(15分)解:(l)K=k/k=2.1x10-5Pa-is-i/5xl0->2s-i=4.2X106Pa-ip1 -1nK$=BSb炉)％=Kけ)ー吗=KpXpヨ=4.2XIOPa-iXKMPa=4.2X10n(2)E^Ea=RT'Tln(k7k)/(T-T)=S.315X310X298Xln(2)/(310-298)kJmol-'=4437kJ-mol-'(3J恒容反响-E=0rma,+ a.-△"$=AUa+An/?T=0-1X8.315X298Jmol-i=-2478J-mob'rmrmrBAG»=-R71nKs=-8.315X298Xln(4.2X10n)J.mol-i=-66.32kJ-mol-'rmA(g)+B(g)-C(g)片。PoPo0 。怂.0=2%t=0PppQ-pp=PQ+P动力学方程 -dp/dLkアユ-k(p—p)^k[p^+(p—p)/K]移项 ーdp/[p2+"—〃o)/K]=kdr[!/(p-a)-]/(p-b)]dp/(b-a)=ん]dl积分得 ln[(p-〃)S-b)/(p-a)(p-b)]/(b-a)=kt其中p=p/2=50kPa,p=p-p=60kPa-50kPa=^0kPa,方程p2+(p-p0)/K,=O的根カa=[-K-i+(K二+4XpXK-ni/21/2p p 0P7 1={-(4.2X1O6)-1+[(4.2X106)-2+4X50000X(4.2X106)-i]i/2}Pa/2=0.1091Paみ=[_KJ-(K-2+4XpoXK「i)i/2]/2={-(4.2X106)-i-[(4.2X106)-2+4X50000X(4.2Xl(X>)-i]i/2}Pa/2=-0.1091Pa所以t=\n[(p-a)(p-b)l(p-a)(p-b)]lk^b-a)=ln[(l0000-0.1091)(50000+0.1091)/(50000-0.1091)(10000+0.1091)]/[2.1x10-5Pa-is->X(-0.1091-0.109l)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=kp2积分得p~\-pT=ki即 r=(pTちー加=[(10000)-1-(50000)-1]/2.1x10-5Pa-i«s-i=3.81s结果ー样。因此,此[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ー个ー样始态到ー个ー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8W=-pdV,设系统与环境间存在压カ差”招ーp,因此有8W^-pdV=(Ap-p)dV=ApdV+SW其中3W=—pdレ