《化学反应工程》(朱炳辰)课后习题答案_图文_百度文库
《化学反应工程》(朱炳辰)课后习题答案
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
2CH3OH+O2→2HCHO+2H2O
2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O
进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算
（1）（1）反应的选择性；
（2）（2）反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：
S===0.%（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为
组分摩尔分率yi0摩尔数ni0(mol)
CH3O2/（2+4+1.3）=0.
空气4/（2+4+1.3）=0.
水1.3/（2+4+1.3）=0.
设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：
nA=nA0(1-XA)=7.672mol
nP=nA0YP=18.96mol
nC=nA0(XA-YP)=0.7672mol
结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：
nW=nW0+nP+2nC=38.30mol
nO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788mol
nN=nN0=43.28mol
所以，反应器出口气体组成为：
组分摩尔数（mol）摩尔分率%
HCHO18.9617.26
H2O38.334.87
N243.2839.39
1.1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：
CO+2H2CH3OH
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贡献者：youyudemao2001
喜欢此文档的还喜欢运用化学反应原理研究氮、硫、氯、碘等单质及其化合物的反应有重要意义．Ⅰ．硫酸生产中，SO2催化氧化生成SO3：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g），混合体系中SO3的百分含量和温度的关系如图1所示（曲线上任何一点都表示平衡状态）．根据图示回答下列问题：①2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）的△H＜0．若温度为T1、T2，反应的平衡常数分别为K1、K2，则K1＞K2；若反应进行到状态D时，v正＞v逆（填“＞”、“＜”或“=”）．②若在恒温、恒容条件下向上述平衡体系中通He，V正不变（填“增大”、“减小”或“不变”）；平衡不移动（填“向左”、“向右”或“不”）．③若在恒温、恒压条件下向上述平衡体系中通入氦气，V正减小，V逆减小；平衡向左移动．Ⅱ．氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用．①如图2是一定的温度和压强下是N2和H2反应生成1molNH3过程中能量变化示意图，请写出工业合成氨的热化学反应方程式：N2（g）+3H2（g）═2NH3（g）△H=-2（b-a）kJ?mol-1（△H的数值用含字母a、b的代数式表示）．②工业合成氨的反应为N2（g）+3H2（g）&2NH3（g）．在一定温度下，将一定量的N2和H2通入到体积为1L的密闭容器中达到平衡后．改变下列条件，能使平衡向正反应方向移动且平衡常数不变的是AB．A、增大压强&&&&B、增大反应物的浓度&&&C、使用催化剂&&&& D、降低温度③工业合成氨的反应为N2（g）+3H2（g）2NH3（g）．设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol&N2（g）和1.60mol&H2（g）．反应在一定条件下达到平衡时，NH3的体积分数为．计算：该条件下N2（g）+3H2（g）&2NH3（g）的平衡常数为200；N2的平衡转化率为66.7%．④已知化学反应：N2（g）+3H2（g）?2NH3（g）；其化学平衡常数K与温度T的关系如下表：
0.5400℃时，在2L的密闭容器中2NH3（g）?N2（g）+3H2（g）&的化学平衡常数K的值为2．当测得NH3和N2、H2的物质的量分别为12mol和8mol、4mol时，则该反应的v正（N2）大于v逆（N2）（填“大于”、“小于”或“等于”）
运用化学反应原理研究氮、硫、氯等单质及其化合物的反应有重要的意义．（1）放热反应2SO2（g）+O2（g）=2SO3（g）是硫酸工业上的重要反应，在体积不变的条件下，下列措施有利于提高SO2平衡转化率的有（填字母）．A、升高温度&&B、降低温度&&C、减小压强&&D、加入催化剂&&&&E．移出氧气（2）氮是大气中含量最多的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要应用．用CH4将氮氧化物（用NOx表示）催化还原为N2可以消除氮氧化物带来的污染，该反应的化学方程式为．现有1L由NO、NO2组成的混合气体，若将其还原为N2、需同温同压下0.4LCH4，则混合气体中NO、NO2的物质的量之比为．（3）如图是一定的温度和压强下，N2和H2反应生成1mol&NH3过程中的能量变化图，请写出工业合成氨的热化学方程式．（△H的数值用含字母Q1、Q2的代数式表示）．（4）在25℃下，将xmol/L的氨水与y&mol/L的盐酸等体积混合，反应后溶液显中性，则c（NH4+&）&c（Cl-）（填“＞”、“＜”或“=”）；用含x和y的代数式表示该混合溶液中氨水的电离平衡常．（5）已知：25℃时，Ksp（AgCl）=1.8×10-10、Ksp（AgBr）=4.9×10&-13．现在向0.001mol/L&KBr和0.01mol/L&KCl混合溶液中滴加0.1mol/L&AgNO3溶液（反应过程中溶液体积变化忽略不计），当出现AgCl沉淀时．c（Br-）=（保留两位有效数字）．
（14分）化学在能源开发与利用中起着重要的作用，如甲醇、乙醇、二甲醚（CH3OCH3）等都是新型燃料。⑴乙醇是重要的化工产品和液体燃料，可以利用下列反应制取乙醇。 2CO2(g)+6H2(g) &CH3CH2OH(g)+3H2O(g)&△H＝a kJ·mol－1在一定压强下，测得上述反应的实验数据如下表。根据表中数据分析：①上述反应的&&&&&&&&0(填“大于”或“小于”)。②在一定温度下，提高氢碳(即)比，平衡常数K值&&&&（填“增大”、“减小”、或“不变”），对生成乙醇&&&&&&&（填“有利”或“不利”）。⑵催化剂存在的条件下，在固定容积的密闭容器中投入一定量的CO和H2，同样可制得乙醇(可逆反应)。该反应过程中能量变化如图所示：①写出CO和H2制备乙醇的热化学反应方程式&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&。②在一定温度下，向上述密闭容器中加入1 mol CO、3 mol H2及固体催化剂，使之反应。平衡时，反应产生的热量为Q kJ，若温度不变的条件下，向上述密闭容器中加入4 mol CO、12 mol H2及固体催化剂，平衡时，反应产生的热量为w kJ，则w的范围为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&。⑶二甲醚（CH3OCH3）被称为21世纪的新型燃料，具有清洁、高效的优良性能。以二甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极可构成燃料电池，其工作原理与甲烷燃料电池原理相类似。该电池中负极上的电极反应式是&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&。
（14分）化学在能源开发与利用中起着重要的作用，如甲醇、乙醇、二甲醚（CH3OCH3）等都是新型燃料。
⑴乙醇是重要的化工产品和液体燃料，可以利用下列反应制取乙醇。
&& 2CO2(g)+6H2(g) &CH3CH2OH(g)+3H2O(g)&
△H＝a kJ·mol－1
在一定压强下，测得上述反应的实验数据如下表。
根据表中数据分析：
①上述反应的&&&&&&&&
0(填“大于”或“小于”)。
②在一定温度下，提高氢碳(即)比，平衡常数K值&&&& （填“增大”、“减小”、或“不变”），对生成乙醇&&&&&&&
（填“有利”或“不利”）。
⑵催化剂存在的条件下，在固定容积的密闭容器中投入一定量的CO和H2，同样可制得乙醇(可逆反应)。该反应过程中能量变化如图所示：
①写出CO和H2制备乙醇的热化学反应方程式&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
。
②在一定温度下，向上述密闭容器中加入1
mol CO、3
mol H2及固体催化剂，使之反应。平衡时，反应产生的热量为Q kJ，若温度不变的条件下，向上述密闭容器中加入4 mol CO、12 mol H2及固体催化剂，平衡时，反应产生的热量为w kJ，则w的范围为&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
。
⑶二甲醚（CH3OCH3）被称为21世纪的新型燃料，具有清洁、高效的优良性能。以二甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极可构成燃料电池，其工作原理与甲烷燃料电池原理相类似。该电池中负极上的电极反应式是&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
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请对方程中的R和J进行详细解说。 还有问题一个 望解答 3、已知反应MgCO3(s)=MgO(s)+CO2(g)的ΔrH?(298K)=114.7kJ·mol-1,ΔrS?(298K)=174.9J·K-1·mol-1,则ΔrG?(850K)为（ ） kJ·mol-1 这是道选择题。答案是-34.0 希望能有解答过程。还有一道298K时，NaCl在水中的溶解度为36.2g/100g H2O,现将36.2gNaCl加入1L的水中,则此溶解过程属于下列情况中的（
） A. △rG? & 0，△rS? & 0
B. △rG? & 0，△rS?&0
C. △rG? & 0，△rS? & 0
D. △rG? & 0，△rS?& 0
Van't Hoff等温方程的这种形式么？RTlnJ=-ΔGmJ是反应商，描述在反应进行到某一时刻（程度）时反应物之间的浓度关系，跟反应平衡常数的求算一样，反应平衡常数可以理解为平衡时的反应商，对于如下反应：aA + bB = cC + dDJ=C^c*D^d/(A^a+B^b)R是热力学气体常数8.314J/(mol K)第二题必须基于这样的假设，反应的焓变和熵变不随温度改变（或者298K-850K范围内不变化）ΔrG?(850K)=ΔrH?(298K)-TΔrS?(298K)=-34.0kJ/mol第三题，浓度低于溶解度，溶解过程自发进行，所以Gibbs自由能变为负。溶解过程，晶格被破坏，形成水合离子，混乱度上升，所以熵变为正。
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用ΔrGm只能判断反应体系中各物质都处于标准态，亦即各物质的活度恰好为1时，反应自发进行的方向。当反应体系中各种物质的活度是任意的人为选定值时，必需用ΔrGm与标准状态下ΔrGm的关系为：ΔrGm=标准状态下ΔrGm+RtlnJaR：气体常数8.314J·K－1·mol-1T：温度Ja是体系在等温处于任状态时，指定的产物的活度系数次方的乘积与反应物活度系数次方乘积的比值，对于反应bB+dD=gG+hH可表示为Ja=Ja代表了化学平衡一章中的分压商及浓度商。对于气体反应，理想混合气体中各组分气体的活度为aB=PB/PB代表物质B，PB为组分气体的分压P为标准压力105pa。对于溶液中反应，在本课中， 稀溶液各物质的活度可用浓度代替。利用等温方程式可以求算在等温（即指定TK）下体系处于任意活度配比情况下的ΔrGm并用于判断该条件下反应自发进行的方向。化学反应处于平衡状态时ΔrGm=0Ja=Ka化学等温方程式就变成了ΔrGm=－RtlnKa∴ΔrGm=－RTlnKn+RtlnJa是等温方程式的另一种表达形式它表明了非平衡时化学反应的Gibbj自由能变化与平衡常数的关系。由此计算出的平衡常数Ka称为热力学 平衡常数，是无量纲量，数值与实验测得平衡常数Kc、Kp一样。由此，我们可以根据浓度商及自由能变两种判别反应方向的方法：若Ja=Ka则ΔrGm=0表明反应达到平衡若Ja>Ka则ΔrGm>0反应不能自发进行若Ja<0反应自发进行实际上，可根据，ΔrGm判断大致情况，如果ΔrGm<0,说明已含有处于标准的产物时反应能正向进行，如改为只有反应物，则Ja部分只有分母，所以ΔrG值含更小（远小于零）反应更易进行，反之相反。例P155例4注意例4中的〔F-〕是零，但按10－7mol·l-1计算，同时J换算为，KJ应录1/1000。当ΔrGm值不大时，要注意反应物或产物的活度对化学反应自发进行方向的影响。§4Gibbj—Helmhol+z公式根据前面提到的体系的自由能，焓及熵的关系为G=H－TS，对一个反应来说，体系由状态1→状态2，则有G1=H1-TS1G2=H2－TS2G2－G1=（H2－TS2）－（H1－TS1）=（H2－H1）－T（S2－S1）∴ΔG=ΔH－TΔSGibbs·J·W和Helmholtz·H·L·F各自独地证明了这三个热力学状态函数的关系，故将此公式称Gibbs—Helmholtz公式。ΔH与ΔS随温度发生的变化是较小的（ΔH通常为几十到几百KJ，ΔS仅为几十几百J）,而ΔG则在温度改变时发生明显变化，∴可将上式近似处理，设ΔH、ΔS不随温度变化而变化，而用298.15K的ΔH和ΔS来代表任意温度的ΔH、ΔS，上式就写为：ΔrG(T)=ΔrH(298K)-TΔrS(298K)如此标准态则有：ΔrG(T)=ΔrH(298K)-TΔrS(298K)因此可求出ΔrG的近似值。精确解见物化。
四种情况/化学反应等温式
根据Gibbs-Helmhol+2公式，可推出恒压下，温度对自发性的影响，有四种情况：类型ΔrHΔrSΔrG讨论例Ⅰ-+永远为“－”任何温度下都自发进行2H2O2（g）→2H2O(g)+O2(g)Ⅱ+-永为“+”任何温度下都非自发CO(g)→C(S)+O2(g)Ⅲ--低温为“－”低温下自发变化HCL(g)+NH3(g)→NH4CL(s)高温为“+”Ⅳ++低温为“+”高温下自发变化CaCO3(S)→CaO(s)+CO2(g)高温为“－”1、从表中可看出：四种类型各分为两大类，其中类型Ⅱ是类型Ⅰ的逆过程，二者的共同点是ΔrH和ΔrS的数值的符号相反。而类型Ⅳ是类型Ⅲ的逆过程，它们的ΔrH和ΔrS的数值的符号相同。第一大类：ΔrH、ΔrS符号相反，但ΔrH与－ΔrS符号相同。∴对ΔrG影响相同，换言之，ΔrG在任何温度都具有与ΔrH相同的符号，单独改变温度是不能调转反应自发进行的方向的。例汽车尾气CO不会由于热分解而生成C（s）及O2。第二大类：ΔrH、ΔrS符号相同，但对ΔrG影响相反，反应取决于两者相对大小，ΔrH数值大时，下影响不了ΔrG的符号，ΔrH数值较小时，T就很关键，例KCL溶解，CuCO3(3)分解等。2、注意ΔrG3、关于利用Gibbj-Helmhol+2公式计算有下列几种类型：①判化化学反应进行的方向即求算ΔrG？例：是否用加热分解的方法消除汽车尾气中的CO？解：CO(g)=C(s)+O2(g)查表Δ5H（COg）=－110.54KJ·mol-1∴该反应焓变ΔrH=+110.54KJ·mol-1而ΔrS=S（C固体）+（O2g）-S(COg)查表S（C固体）=5.69J·k-1·mol-1S(O2g)=205.03J·mol-1K-1S(COg)=197.9J·K-1·mol-1ΔrS=5.69+×205.03-197.9=-89.7J·K－1mol-1=-0.0897KJ·K－1·mol-1ΔrS为负ΔrH为正∴在任何温度都不可能自发进行②求算ΔrS或ΔrH③求算反应达到平衡时温度，或者自发进行的最低温度（近似计算）例：CaO(s)+SO2(g)→CaSO4(S)已知298K时反应ΔrH=－402.0KJ·mol-1ΔrG=-345.7KJ·mol-1求此反应平衡时的温度？解：先求ΔrStΔrS=∵达到平衡时ΔrGt=0∴TΔrS=ΔHtT=该反应ΔrHt为“－”，ΔrSt亦为“－”，低温下为自发变化∴根据计算可以判定反应在T<2130K时任何温度下均可自发，因此炉温低温于2130K时向炉中加CaO可束缚住SO3，防其污染，目前已在实用中。4、根据计算判断化合物的溶解性，化合物的稳定性，以及指导化合物的合成。§5温度对化学平衡的影响根据ΔrGm=-Rtlnka（反应达到平衡时的等温方程式）∴lnka=-ΔrGtm/RT将该式与ΔrGtm=ΔrHt-TΔrSm合并得：lnKa=-(ΔrHm-TΔrSm)/RTlnKa=-该式清楚地表明平衡常数随温度的变化与ΔrHm的正负号有关。ΔrHtm<0T升高Ka减小T降低Ka增大反之ΔrHm>0T升高Ka增加T降低Ka减小设可逆反应在温度为T1时，平衡常数为K1温度T2时平衡常数为K2则有lnK1=－设ΔrHm、ΔrSm不随温度变化而变化lnK2=-有lnk2-lnK1=ln=该式表明了平衡常数与反应的焓变的关系，也可以在知道了一个温度的Ka及ΔrHm时，求算另一个温度K，但该式只适用于T1与T2差别不大时。
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