十年化学竞赛题重组卷15化学热力学和化学动力学基础.doc

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1、2001-2010年十年化学赛题重组卷15 化学热力学和化学动力学基础【决赛要求】1. 化学热力学基础。热力学能（内能）、焓、热容、自由能和熵的概念。生成焓、生成自由能、标准熵及有关计算。反应的自由能变化与反应的方向性。吉布斯-亥姆霍兹方程及其应用。范特霍夫等温方程及其应用。标准自由能与标准平衡常数。平衡常数与温度的关系。热化学循环。热力学分解温度（标态与非标态）。相、相律和单组分相图。克拉贝龙方程及其应用(不要求微积分)。 2.化学动力学基础。反应速率基本概念。反应级数。用实验数据推求反应级数。一级反应积分式及有关计算（速率常数、半衰期、碳-14法推断年代等等）。阿累尼乌斯方程及计算（活化能

2、的概念与计算；速率常数的计算；温度对速率常数影响的计算等）。活化能与反应热的关系。反应机理一般概念。推求速率方程。催化剂对反应影响的本质。 For personal use only in study and research; not for commercial use2004年第3题（6分）某实验测出人类呼吸中各种气体的分压/Pa如下表所示：气体吸入气体呼出气体N2 7927475848O2 2132815463CO2403732H2O66762651请将各种气体的分子式填入上表。（每空1分，共4分）2指出表中第一种和第二种呼出气体的分压小于吸入气体分压的主要原因。呼出气中的N2的分压小

3、于吸入气中的分压的主要原因是呼出气中的CO2和水蒸气有较大分压，总压不变，因而N2的摩尔分数下降（1分）；呼出气中的O2的分压小于吸入气中的分压的主要原因是吸入的O2被人体消耗了。（1分）（共2分）2008年第3题 (4分) 甲醛是一种重要的化工产品，可利用甲醇脱氢制备，反应式如下： 催化剂，700oC CH3OH(g) CH2O(g) + H2(g) = 84.2 kJ mol-1 (1)向体系中通入空气，通过以下反应提供反应(1) 所需热量： H2(g) + O2(g) H2O(g) =241.8 kJ mol-1 (2)要使反应温度维持在700C，计算进料中甲醇与空气的摩尔数之比。已知空

4、气中氧气的体积分数为0.20。要使反应维持在一定温度持续进行，应保证反应(2)放出的热量恰好被反应(1) 全部利用，则： 甲醇与氧气的摩尔比为：n(CH3OH) : n (O2) = (2 241.8) / 84.2 = 5.74 (2分) 甲醇与空气的摩尔比为：n(CH3OH) : n (空气) = 5.74 / 5 = 1.1 (2分)答成1.15或1.148得1.5分。答（写）成1 : 0.87也得2分。 考虑到实际情况，将上式的等号写成小于或小于等于，得2分。算式合理，结果错误，只得1分。只有结果没有计算过程不得分。 2005年备用第8题（8分）熵是由德国物理学家克劳休斯于1865年首

5、次提出的一个重要热力学概念。统计物理学研究表明，熵是系统混乱度的量度。熵增加原理的数学表达式是：(ds)U，V0。其物理意义是：一个孤立系统的自发过程总是朝着熵增加的方向进行，即从有序走向无序。而生命的发生、演化及成长过程都是从低级到高级、从无序到有序的变化。这样看来把熵增加原理应用到生命科学中似乎是不可能的。1熵增加原理与达尔文进化论是否矛盾？说明理由。熵增加原理适用于孤立系统，而生命系统是一个开放系统，生物进化是一个熵变过程，生物的复杂性（种群系）与熵有关，生物进化的谱系越复杂，熵值就越大。生物的组织化（个体结构）与信息有关。谱系复杂化的分支衍生带来更大的进化突变空间，但是由于生物遗传的制

6、约作用，使实际产生的状态数（种类数）比更大可能产生的状态数少，即实际熵比更大可能熵小。一个进化的生物系列在合适的环境条件下，复杂性（熵）将与组织化（信息）同时增加。因此，生物进化的必然结构是种类越来越多，结构也越来越高级，实际熵与最大可能熵的差也越来越大。从这个角度看，熵增加原理与达尔文进化论不矛盾。（4分）2初期的肿瘤患者可以治愈，而晚期癌症患者的肿瘤想要治愈是根本不可能的，用熵增加原理解释其原因。 肿瘤发生的实质就是在某一时刻机体系统发生了变速熵增的过程，机体对肿瘤产生的抑制能力大大减弱，肿瘤发生率在此过程会提高很多，从而导致肿瘤的发生。由于肿瘤患者的癌细胞在体内扩散，影响着人体的熵增速率

7、，使机体时常处于变速熵增的不可逆过程，即人体内肿瘤的发生一旦达到了一定的混乱度，这种情况是不可逆的，故晚期癌症患者的肿瘤想要治愈是根本不可能的。而初期的肿瘤患者可以治愈是因为熵增加原理不适用于质点数很小的系统。几个肿瘤细胞相对于人体这个大的系统来说，质点数很少，对于人体还不至于构成威胁。所以对于肿瘤的研究，预防是关键。要防治肿瘤的发生，就要阻止熵增不可逆过程的发生。（4分）2007年第7题（8分）KClO3热分解是实验室制取氧气的一种方法。KClO3在不同的条件下热分解结果如下： 实验反应体系第一放热温度/第二放热温度/AKClO3400480BKClO3+Fe2O3360390CKClO3+

8、MnO2350已知K(s)+1/2Cl2(g)=KCl(s) H(1)=-437 kJmol-1K(s)+1/2Cl2+3/2O2(g)= KClO3(s) H(2)=-398 kJmol-1K(s)+1/2Cl2+2O2(g)= KClO4(s) H(3)=-433 kJmol-17-1 根据以上数据，写出上述三个体系对应的分解过程的热化学方程式。A 第一次放热：4KClO3(s) = 3 KClO4 (s)+ KCl(s) H= -144 kJ/mol第二次放热：KClO4 (s) = KCl(s) + 2O2(g) H = -4 kJ/mol每个方程式 1 分。方程式写错，不得分；未标或

9、标错物态，扣 0.5分；未给出 H或算错，扣 0.5分。第一次放热过程，在上述要求的方程式外，还写出 2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2(g)，不扣分。B 第一次放热、第二次放热反应的热化学方程式均与 A 相同。（给出此说明，得分同 A）若写方程式，评分标准同 A。C 2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2(g) H = -78 kJ/mol方程式 2 分。方程式写错，不得分；未标或标错物态，扣 0.5分；未给出 H 或算错，扣 0.5分。7-2 用写MnO2催化KClO3分解制得的氧气有轻微的刺激性气味，推测这种气体是什么，并提出确认这种气体的实验方法。具有轻微刺

10、激性气味的气体可能是 Cl2。(1分)实验方案:(1)将气体通入 HNO3酸化的 AgNO3溶液，有白色沉淀生成；(0.5分) (2) 使气体接触湿润的 KI-淀粉试纸，试纸变蓝色。(0.5分)若答气体为 O3和/或 ClO2,得 1 分；给出合理的确认方案，得 1 分。北京2011年第7题（ 10 分）光催化是新发展的一个催化技术，TiO2是目前研究成功的应用广泛的光催化剂，它是由金红石矿(主要成分为TiO2)先制备为TiCl4，再转化为纯TiO2。 物种TiO2(s)TiCl4(g)Cl2(g)O2(g)C(s)CO(g)rm /kJmol1944.7763.2000110.5Sm/Jmo

11、l1K155.02354.9223.1205.15.74197.7请根据表中数据（1） 计算反应：TiO2(s) + 2Cl2(g) = TiCl4(g) + O2(g) 298K的rm和rSm,该反应能否正向进行？ TiO2(s) + 2Cl2(g) = TiCl4(g) + O2(g) rmTrSm = 163.9/ Jmol1K1rm = 181.5 kJ/mol rSm = 58.9/ Jmol1K1rmTrSm = 163.9/ Jmol1K1 0 反应正向不能进行 (3分)(2)计算反应2C(s) + O2(g) 2CO(g) 298K的rm和rSm,并判据反应在298K进行的方向

12、。rm = 221 kJ/mol rSm = 59/ Jmol1K1 2C(s) + O2(g) 2CO(g)rm = 221 kJ/mol rSm = 179/ Jmol1K1rmTrSm = 274/ Jmol1K1 0 反应正向能进行 (3分)(3) 为得到纯的TiCl4，有人设计如下方案：TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) TiCl4(g ) + 2CO(g)。计算该反应298K的rm和rSm,并判据反应进行的方向。 TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) TiCl4(g) + 2CO(g)rm = 39.5 kJ/mol rSm = 249.7/ Jmol

13、1K1 rmTrSm = 113.9/ Jmol1K1 0 反应正向能进行. (4分)北京2009年第9题（10分）通常空气中CO允许浓度是5 106，最高可忍受的水平是50 106。在甲烷燃烧器里常发生如下反应：CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O (g) （A） CH4(g) + 3/2O2(g) CO(g) + 2H2O (g) （B） 当燃烧器的调节不当时有引起CO中毒的危险。现已知下列数据（298K，P下）：物质CH4 (g)O2 (g)CO2(g)CO(g)H2O(g)fm (kJ/mol)-74.90-393.6-110.5-241.8Sm (J/molK)

14、186.2205.0213.6197.6188.7并已知下列有关公式：rGmrm -Tr Sm； rGm -RTlnK请求算并解答下列问题：（1） 假设fm、Sm的数值均不随温度发生变化，试计算T1500K下反应的（A）、（B）的rGm（A）、rGm（B）对A反应 rm(A) =fm(CO2,g) + 2rm(H2O,g)fm(CH4,g) = -802.2（kJ/mol） rSm(A) = Sm (CO2,g) + 2 Sm (H2O,g) Sm (CH4,g) 2 Sm (O2,g) = -5.2（J/molK） rGm(A)=rm(A)-Tr Sm(A) = -802.2 1000 15

15、00 (-5.2) = -794500（J/mol）同理对B反应 rm (B) = -519.2（kJ/mol） rSm(B) = 81.3（J/molK） rGm(B) = -641150（J/mol）（2） 求反应（A）、（B）在1500K下的标准平衡常数KA、KBlnK(A) = -rGm(A)/RT K(A) = 4.62 1027lnK(B) = -rGm(B)/RT K(B) = 2.13 1022（3） 由（2）题得出的信息说明下列问题： 该条件下，（A）、（B）反应是否完全？达平衡时有人认为n(CH4) 0，是否合理？ 因K(A)和K(B)都很大，可视为反应十分完全，达平衡时n

16、(CH4) 0合理。 平衡时，n(CO2)和n(CO)之间的关系如何？（写出， K(B) n(CO2) n(CO)（4） 当反应条件在T=1500K，P时，进入燃烧器的空气量维持物质的量的比例CH4：O2 =1：2，当达到平衡时，CO的物质的量分数x(CO)为7.6 105；若反应前后总物质的量可视为不变。请计算当燃烧产生的烟中的水蒸气从1500K冷却到室温后，水蒸汽凝结，致使气相中的总物质的量由n总 =11变成n总 =9，此时烟里的CO的浓度x(CO)为多少？（用106表示）有CO中毒的危险吗？。因达平衡时气相中x(CO) = 7.06 105，则水蒸汽凝结后使气相中的物质的量的总数由n总

17、=11变成n总 =9。 x(CO) = 7.06 105 11/9 = 86.3 106此值大于50 106有引起中毒的危险北京2008年第10题（共10分）纯水的饱和蒸汽压与温度关系如下图所示，该图是根据水的饱和蒸汽压作图得出的直线关系。该直线可用一般代数方程式表示：A为直线斜率，B为截距。实验证明，常数A与H2O的摩尔蒸发焓（vapm）有关，在温度变化不大时，它可视为常数，即： A = -vapm /2.303R ，则上述直线方程可-（vapm /2.303R）写为： 有人通过实验得出水的炮和蒸汽压与温度的关系式为：（1）根据式a，求出 H2O(l) H2O(g)的摩尔相变焓-vapm（H

18、2O） -vapm /2.303R = 2265vapm = 2.303 8.341 2265 = 43.4 kJ/mol （2分）（2）请利用下列数据，从理论上求出H2O的vapm。H2O(l)的fm=-285.8 kJ/mol H2O(g)的fm=-241.8 kJ/mol vapm = -241.8 + 285.8 = 44.0 kJ/mol （2分）（3）利用（1）、（2）中求出的数据，计算实验值得相对偏差。 （43.4 44.0）/44.0 100% = -1.4% （2分） (4) 根据式a，求平均海拔为4500m的西藏高原上，大气压力为5.73104Pa 时水的沸点为多少? 在高

19、压锅炉内当水蒸气压达到1000 kPa时,水的沸点是多少? lg 5.73 104 = 11.102 - 2265/T T = 357.04 K，t 84C （2分） lg 1000 103 = 11.102 - 2265/T T = 443.94 K，t 171C （2分）北京2007年第8题（共15分） 已知有关物质的热力学数据如下：（298K，100kPa下）物质C(s)辛烷(g)甲烷(g)CO2(g)H2O(l)SiF4(g)HF(g)SiCl4(g)HCl(g)SiO2(石英)fm(kJ/mol)0-207.8-74.85-393.5-285.8-1641.9-203.6-657.0

20、-92.31-859.4Sm(J/molK)5.69757.1186.2213.662.94282.4173.5330.6184.841.8（1） 煤、汽油、天然气是当今最常用的几种燃料，它们所含的主要代表物质分别是：碳(C)、辛烷(C8H18)、甲烷(CH4)，试从对环境的污染及其各物质完全燃烧时的热效应等方面进行比较（以1 mol 物质为基础进行计算）。 C + O2 CO2 rm = -393.5 kJ/mol （煤）C8H18 + 25/2 O2 8CO2 + 9H2O rm = -5.5103 kJ/mol （汽油）CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O rm = -0.8901

21、03 kJ/mol （天然气）煤炭是组成极其复杂的大分子，含有大量的芳香烃，含有S、N的杂环化合物，因此在燃烧时有SO2及NO的化合物生成，也有CO、CO2生成，导致产生温室效应，光化学烟雾及酸雨。汽油在气缸中燃烧时通常有空气参加，常有NO及CO生成。汽油的组成中碳氢化合物在不完全燃烧时产生一些有毒物质。若未完全净化的汽油则含有S，燃烧时生成SO2。天然气为较好的清洁燃料，完全燃烧生成CO2，H2O。（2）估计下列各变化过程中的熵（S）是增大还是减少。 NH4NO3爆炸： 2NH4NO3(g) 2N2(g) + 4H2O(g) + O2(g) 水煤气转化： CO(g) + H2O(g) CO2

22、(g) + H2(g) 臭氧生成： 3O2(g) 2O3(g) 该过程为气体增加过程，故熵增大 该过程发生前后为分子不变过程，故熵不变 该过程为分子数减少过程，故为熵减小（2） G = H - TS称为吉布斯（gibbs）方程，在等温等压下的化学反应的吉布斯自由能（rGm）变化是其焓变（rm）和熵变（rSm）的综合效应。因此可用rGm的正负判断反应的自发性。请根据给定的热力学数据，计算下列反应在298K，100kPa下的rGm值，并说明在该条件下，SiO2(石英)和HF(g)能反应，而SiO2(石英)和HCl(g)不能反应。 SiO2(石英) + 4HF(g) SiF4(g) + 2H2O(l

23、) SiO2(石英) + 4HCl(g) SiCl4(g) + 2H2O(l) rm = -512.7 kJ/mol rSm = -515.9 J/molK rGm = rm - TrSm =（-512.7 kJ）-298K（-515.9 J/molK）= -358.9103 kJ/molrGm 0 298K，P下反应非自发。北京2006年第10题（共17分） 有下列三种燃料，甲烷、甲醇和氢气，假设 甲烷与氧气 甲醇与氧气 氢气与氧气 氢气与氟的反应均为理想燃烧，（1） 上述反应中CH4(g)、CH3OH(l)、H2(g)均为1 mol，请写出上述反应方程式： 甲烷与氧气 CH4 (g) +

24、2 O2 (g) = CO2 (g) + 2 H2O(g)甲醇与氧气 CH3OH(l) + 3/2 O2 (g) = CO2 (g) + 2 H2O(g)氢气与氧气 H2 (g) + 1/2 O2 (g) = H2O(g)氢气与F2 (g) H2 (g) + F2 (g) = 2 HF(g) （共4分，每式1分）（2）上述四个反应常用于动力火箭燃料的反应，请利用298K时下列物质的标准生成焓（设它们与温度无关），分别计算298K时各个反应每千克反应物的焓变：（kJ/kg） 物质, 298KO2(g)H2(g)CH4(g)CO2(g)H2O(g)CH3OH(l)F2 (g)HF(g)fm0074

25、.8393.5241.8238.60268.6rHm =rHm/MCO2(g) + 2H2O(g) = 802.3kJmol1/(44 + 218) 103 kgmol1 = 10028.8 kJkg1rHm =rHm/MCO2(g) + 2H2O(g) = 638.5kJmol1/(44 + 218) 103 kgmol1 = 7981.6 kJkg1rHm =rHm/M H2O(g) = 241.8kJmol1/0.018 kgmol1 = 13435 kJkg1rHm =rHm/M 2HF(g) = 537.2kJmol1/ 220103 kgmol1 = 13430 kJkg1 （共4

26、分，每式1分）(3)已知当排出气体的摩尔质量较低时，火箭推力较大，试将生成物的摩尔质量（在反应中若有多种物质生成，则用平均摩尔质量）除以每千克发的热，将计算结果根据火箭推力效果的次序进行排列： rHm/ = 10028.8 kJkg1/ (1/3) (44 + 218) 103 kgmol1 = 3.76105 kJkg2mol1 rHm/ = 7981.6 kJkg1/ (1/3) (44 + 218) 103 kgmol1 = 2.993105 kJkg2mol1 rHm/MH2O(g) = 13435kJkg1/0.018 kgmol1 = 7.464 105kJkg2mol1 rHm/

27、MHF(g) = 13430kJkg1/0.02 kgmol1 = 6.715 105kJkg2mol1 火箭推力效果次序为： （共5分，每式1分，推理效果1分）(4)请说明上述四个反应是熵增大？熵减小？熵不变反应？甲烷与氧气 ng = 0 熵不变反应甲醇与氧气 ng = 3 3/2 = 3/2 熵增反应氢气与氧气 ng = 1 3/2 = 1/2 熵减反应氢气与F2 (g) ng = 0 熵不变反应 （注：不写ng直接得出后面结论，算对。共4分，每个结果1分）北京2005年第八题（共8分） 为了利用天然气矿中的甲烷，有人设计了如下两个化学反应：2CH4(g) + H2O(l) = C2H5O

28、H(l) + 2H2(g) CH4(g) + 1/2 O 2 (g) = CH3OH(l) 已知：298K，P下 物质 fm（kJ/mol） fGm（kJ/mol）H2O(l) 285.84 237.19CH4(g) 74.85 50.79CH3OH(l) 238.57 166.23C2H5OH(l) 277.63 174.77 CO2(g) 393.51 394.381 请用计算结果判断，反应和在常温常压下（298K，P）实现的可能性如何？ rHm = 2 0 + (-277.63) (-285.84)-2 (-74.85)= 157.91 kJ/mol（吸热）rGm = 2 0 + (-1

29、74.77) (-237.19)-2 (-50.79)= 164.09 kJ/mol rHm = -238.57 1/2 0 (-74.85)= 163.72 kJ/mol（放热）rGm= -166.23 1/2 0 (-50.79)= -115.44 kJ/mol 反应有实现的可能性， 298K，P下 rGm 0，热力学上不可能进行反应，催化剂无效。 （1分）3 对于可能实现的反应，请利用rGm = RTlnK从理论上求出298K，P下其平衡常数K。若该反应为可逆的话，讨论温度、压力等外界条件对化学平衡的影响。(R = 8.314 J/molK)rGm = -RTlnK lnK = -rGm

30、 /RT = 115.44 103/8.314 298 = 46.594 K = 1.72 1020为放热反应，升温不利于正向进行，n = 0 1.5 = 1.5，升高压力有利于正向进行。 （2分）4 若将CH4与O 2（或空气）制造燃料电池（1） 这个电池放电时发生的化学反应方程式为：CH4(g) + 2 O2(g) = CO2(g) + 2 H2O(l) （2） 电池中电极发生反应 负极发生的反应是CH4 + 4O2 8 e = CO2 + 2 H2O 正极发生的反应是2 O2 + 8 e = 4O2总反应： CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O向外电路释放电子的电极是负极。（

31、3） 请根据rGm = nFE的关系式求出该电池的电动势E（F为法拉第常数，F = 96500库仑）。 rGm = nFE rGm = 2 (-237.19)+(-394.38)- (-50.79)= -817.97 kJ/mol E = rGm /nF = 817.97 103/8 96500 = 1.06 V （共3分）仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fr den persnlichen fr Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles; pas des fins commerciales. , , . 以下无正文