工程化学基础习题参考答案

工程化学基础习题参考答案第一章物质的状态习题1.理想气体状态方程的表达式是什么？各物理量的单位是什么？参考答案：理想气体状态方程为\(pV=nRT\)。其中\(p\)为压力，单位为\(Pa\)；\(V\)为体积，单位为\(m^3\)；\(n\)为物质的量，单位为\(mol\)；\(R\)为摩尔气体常数，\(R=8.314J·mol^{1}·K^{1}\)；\(T\)为热力学温度，单位为\(K\)。

2.已知某气体在\(27^{\circ}C\)、\(101.3kPa\)下的体积为\(2.0L\)，求该气体的物质的量。参考答案：首先将温度\(T=27^{\circ}C+273=300K\)，压力\(p=101.3kPa=101300Pa\)，体积\(V=2.0L=2.0×10^{3}m^3\)。

根据理想气体状态方程\(pV=nRT\)，可得\(n=\frac{pV}{RT}\)。

将数值代入公式：

\(n=\frac{101300Pa×2.0×10^{3}m^3}{8.314J·mol^{1}·K^{1}×300K}\)

\(n=\frac{202.6}{2494.2}mol\)

\(n≈0.081mol\)

3.什么是分压定律？写出其表达式。参考答案：分压定律是指混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。表达式为\(p_{总}=p_1+p_2+p_3+\cdots+p_n\)，其中\(p_{总}\)为混合气体总压力，\(p_i\)为第\(i\)种组分气体的分压。

某组分气体的分压等于该组分气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力，即\(p_i=n_i\frac{RT}{V}\)（\(n_i\)为该组分气体的物质的量）。

4.已知空气中\(N_2\)、\(O_2\)的体积分数分别为\(78\%\)和\(21\%\)，求在标准状况下，\(100L\)空气中\(N_2\)和\(O_2\)的物质的量和分压。参考答案：在标准状况下，\(V_m=22.4L/mol\)。

\(100L\)空气中\(N_2\)的物质的量\(n_{N_2}=\frac{78L}{22.4L/mol}≈3.48mol\)

\(O_2\)的物质的量\(n_{O_2}=\frac{21L}{22.4L/mol}≈0.94mol\)

混合气体总物质的量\(n_{总}=\frac{100L}{22.4L/mol}≈4.46mol\)

\(N_2\)的分压\(p_{N_2}=\frac{n_{N_2}}{n_{总}}×p_{总}\)

\(p_{总}=101.3kPa\)

\(p_{N_2}=\frac{3.48mol}{4.46mol}×101.3kPa≈78.6kPa\)

\(O_2\)的分压\(p_{O_2}=\frac{n_{O_2}}{n_{总}}×p_{总}\)

\(p_{O_2}=\frac{0.94mol}{4.46mol}×101.3kPa≈21.2kPa\)

5.液体的沸点与哪些因素有关？参考答案：液体的沸点与外界压力有关。当外界压力增大时，液体的沸点升高；当外界压力减小时，液体的沸点降低。在标准大气压下，每种液体都有其固定的沸点。此外，液体中溶解的溶质也会影响液体的沸点，一般情况下，溶液的沸点会高于纯溶剂的沸点，这是溶液的依数性之一。

6.什么是饱和蒸气压？它与温度有什么关系？参考答案：在一定温度下，与液体处于平衡状态时的蒸气压力称为该温度下液体的饱和蒸气压。

饱和蒸气压随温度的升高而增大。这是因为温度升高时，液体分子的平均动能增大，更多的分子具有足够的能量克服液体表面的吸引力而逸出液面，从而使蒸气分子数增加，饱和蒸气压增大。它们之间的关系可以用克劳修斯克拉佩龙方程表示：\(\ln\frac{p_2}{p_1}=\frac{\Delta_{vap}H_m}{R}(\frac{1}{T_1}\frac{1}{T_2})\)，其中\(p_1\)、\(p_2\)为不同温度\(T_1\)、\(T_2\)下的饱和蒸气压，\(\Delta_{vap}H_m\)为液体的摩尔汽化热，\(R\)为摩尔气体常数。

第二章化学热力学基础习题1.什么是系统和环境？根据系统与环境之间的物质和能量交换情况，系统可分为哪几种类型？参考答案：系统是我们所研究的对象，而系统之外与系统密切相关的部分称为环境。

根据系统与环境之间的物质和能量交换情况，系统可分为三种类型：敞开系统：系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。封闭系统：系统与环境之间没有物质交换，但有能量交换。孤立系统：系统与环境之间既没有物质交换，也没有能量交换。

2.什么是状态函数？它有哪些特点？参考答案：状态函数是用来描述系统状态的物理量。

状态函数的特点：状态一定，其值一定：当系统处于某一确定状态时，状态函数具有确定的数值。殊途同归，值变相等：系统从同一始态变化到同一终态，无论经历何种途径，状态函数的变化值相同。周而复始，数值还原：系统经历一个循环过程回到原来的状态，状态函数的变化值为零。

3.什么是热和功？它们的符号是如何规定的？参考答案：热是系统与环境之间由于温度差而传递的能量，用符号\(Q\)表示。规定系统吸收热量时\(Q\gt0\)，系统放出热量时\(Q\lt0\)。

功是除热以外，系统与环境之间传递的其他形式的能量，用符号\(W\)表示。规定环境对系统做功时\(W\gt0\)，系统对环境做功时\(W\lt0\)。

4.已知某化学反应在恒压条件下进行，反应过程中放出热量\(100kJ\)，同时系统的体积增大了\(5L\)，压力为\(200kPa\)，求该反应的\(\DeltaU\)。参考答案：根据\(\DeltaU=Q+W\)，\(Q=100kJ\)（系统放热）。

\(W=p\DeltaV=200kPa×5L=1000J=1kJ\)

\(\DeltaU=100kJ1kJ=101kJ\)

5.什么是热力学能（内能）？它包括哪些能量形式？参考答案：热力学能（内能）是系统内部能量的总和，用符号\(U\)表示。

它包括系统内分子的动能（平动能、转动能、振动能）、分子间的势能以及分子内各种粒子（原子、电子、原子核）间的相互作用能等。内能是系统的状态函数，只与系统的状态有关，而与系统的变化途径无关。

6.写出热力学第一定律的数学表达式，并说明其物理意义。参考答案：热力学第一定律的数学表达式为\(\DeltaU=Q+W\)。

其物理意义是：系统热力学能的变化等于系统从环境吸收的热量与环境对系统做的功之和。它表明了能量守恒与转化的关系，即能量不会凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量的总量保持不变。

7.什么是焓？它的定义式是什么？参考答案：焓是一个热力学函数，用符号\(H\)表示。

定义式为\(H=U+pV\)，其中\(U\)为热力学能，\(p\)为压力，\(V\)为体积。焓也是状态函数，具有能量的量纲。在恒压且只做体积功的条件下，\(\DeltaH=Q_p\)，即焓变等于恒压热。

8.已知反应\(2H_2(g)+O_2(g)=2H_2O(l)\)的\(\DeltaH=571.6kJ/mol\)，求\(1gH_2\)完全燃烧时放出的热量。参考答案：\(H_2\)的摩尔质量为\(2g/mol\)。

\(1gH_2\)的物质的量\(n=\frac{1g}{2g/mol}=0.5mol\)

由反应\(2H_2(g)+O_2(g)=2H_2O(l)\)可知，\(2molH_2\)完全燃烧放出\(571.6kJ\)热量。

则\(0.5molH_2\)完全燃烧放出的热量\(Q=\frac{0.5mol}{2mol}×571.6kJ=142.9kJ\)

9.什么是热化学方程式？书写热化学方程式时应注意哪些问题？参考答案：表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。

书写热化学方程式时应注意：注明反应的温度和压力：若不注明，一般指\(298K\)、\(101.3kPa\)。注明反应物和生成物的聚集状态：常用\(s\)（固体）、\(l\)（液体）、\(g\)（气体）、\(aq\)（水溶液）等表示。方程式中的计量系数表示物质的量：可以是整数，也可以是分数。\(\DeltaH\)的数值与方程式的计量系数相对应：计量系数加倍，\(\DeltaH\)的数值也加倍。

10.已知反应\(C(s)+O_2(g)=CO_2(g)\)的\(\DeltaH=393.5kJ/mol\)，反应\(CO(g)+\frac{1}{2}O_2(g)=CO_2(g)\)的\(\DeltaH=283.0kJ/mol\)，求反应\(C(s)+\frac{1}{2}O_2(g)=CO(g)\)的\(\DeltaH\)。参考答案：根据盖斯定律，目标反应\(C(s)+\frac{1}{2}O_2(g)=CO(g)\)可由反应\(C(s)+O_2(g)=CO_2(g)\)减去反应\(CO(g)+\frac{1}{2}O_2(g)=CO_2(g)\)得到。

所以\(\DeltaH=(393.5kJ/mol)(283.0kJ/mol)=110.5kJ/mol\)

11.什么是标准摩尔生成焓？如何根据标准摩尔生成焓计算反应的标准摩尔焓变？参考答案：在标准状态下，由稳定单质生成\(1mol\)某物质时的焓变称为该物质的标准摩尔生成焓，用符号\(\Delta_fH_m^{\ominus}\)表示。稳定单质的标准摩尔生成焓为零。

对于反应\(aA+bB=cC+dD\)，其标准摩尔焓变\(\Delta_rH_m^{\ominus}\)的计算式为：\(\Delta_rH_m^{\ominus}=\sum_{i}\nu_i\Delta_fH_m^{\ominus}(生成物)\sum_{i}\nu_i\Delta_fH_m^{\ominus}(反应物)\)，其中\(\nu_i\)为反应方程式中各物质的化学计量数。

12.已知\(298K\)时，\(\Delta_fH_m^{\ominus}(CO_2,g)=393.5kJ/mol\)，\(\Delta_fH_m^{\ominus}(H_2O,l)=285.8kJ/mol\)，\(\Delta_fH_m^{\ominus}(CH_4,g)=74.8kJ/mol\)，求反应\(CH_4(g)+2O_2(g)=CO_2(g)+2H_2O(l)\)在\(298K\)时的\(\Delta_rH_m^{\ominus}\)。参考答案：根据上述计算反应标准摩尔焓变的公式：

\(\Delta_rH_m^{\ominus}=\Delta_fH_m^{\ominus}(CO_2,g)+2\Delta_fH_m^{\ominus}(H_2O,l)\Delta_fH_m^{\ominus}(CH_4,g)2\Delta_fH_m^{\ominus}(O_2,g)\)

因为\(\Delta_fH_m^{\ominus}(O_2,g)=0\)

所以\(\Delta_rH_m^{\ominus}=(393.5kJ/mol)+2×(285.8kJ/mol)(74.8kJ/mol)2×0\)

\(\Delta_rH_m^{\ominus}=393.5571.6+74.8\)

\(\Delta_rH_m^{\ominus}=890.3kJ/mol\)

第三章化学反应速率和化学平衡习题1.什么是化学反应速率？其表示方法有哪些？参考答案：化学反应速率是指在一定条件下，化学反应进行的快慢程度。

表示方法有：平均速率：用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，单位为\(mol·L^{1}·s^{1}\)等。例如对于反应\(aA+bB=cC+dD\)，\(\overline{v}=\frac{1}{a}\frac{\Deltac_A}{\Deltat}=\frac{1}{c}\frac{\Deltac_C}{\Deltat}\)（\(\Deltac\)表示浓度变化，\(\Deltat\)表示时间变化）。瞬时速率：某一时刻的反应速率，是平均速率在\(\Deltat\)趋近于零时的极限值，用\(v=\lim\limits_{\Deltat\to0}\frac{\Deltac}{\Deltat}=\frac{dc}{dt}\)表示。

2.化学反应速率与哪些因素有关？参考答案：化学反应速率与以下因素有关：浓度：在其他条件不变时，增大反应物浓度，反应速率加快；减小反应物浓度，反应速率减慢。温度：一般来说，升高温度，反应速率加快；降低温度，反应速率减慢。催化剂：催化剂能降低反应的活化能，增加活化分子百分数，从而加快反应速率。反应物的本性：不同的化学反应，由于反应物的结构和性质不同，反应速率有很大差异。反应体系的压强：对于有气体参加的反应，增大压强相当于增大反应物浓度，反应速率加快；减小压强，反应速率减慢。其他因素：如辐射、超声波、激光等也可能对反应速率产生影响。

3.什么是有效碰撞？什么是活化分子？参考答案：能够发生化学反应的碰撞称为有效碰撞。

具有较高能量，能够发生有效碰撞的分子称为活化分子