2022年考研物化試卷

452華南理工大學(xué)

2022年攻讀碩士學(xué)位爭(zhēng)辯生入學(xué)考試試卷(試卷上做答無(wú)效,請(qǐng)?jiān)诖痤}紙上做答,試后本卷必需與答題紙一同交回)科目名稱:物理化學(xué)(二)適用專業(yè):材料物理與化學(xué)材料學(xué)材料加工工程化學(xué)工程化學(xué)工藝生物化エ應(yīng)用化學(xué)エ業(yè)催化能源環(huán)境材料及技術(shù)生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用化學(xué)試題點(diǎn)評(píng):本套題過(guò)于綜合(如計(jì)算題1,2,8),有些學(xué)問(wèn)點(diǎn)太多重復(fù)，而有些學(xué)問(wèn)點(diǎn)沒(méi)有考察到,是一份偏難且內(nèi)容偏多的試題。本人在計(jì)算機(jī)上足足花了近10小時(shí)方做完。下面的參考答案是本人做的，沒(méi)有參考標(biāo)準(zhǔn)答案,所以可能有錯(cuò)誤。假設(shè)覺(jué)察,請(qǐng)用電子郵件與葛華オ教師聯(lián)系(ge1963@126)。,感謝!2022年1月4日21:33修改--計(jì)算題.如下圖：ー個(gè)缸壁和活塞均為絕熱的氣缸被ーI ■ 固定的導(dǎo)熱隔板分為兩部份，靠近活塞的局部里有Imol| 氫氣，另一局部里有0.005mol氧氣和0.01mol—氧化碳，反響開(kāi)頭前兩局部的溫度均為25℃,反響過(guò)程中活塞所受的壓カ恒定,假定導(dǎo)熱隔板熱容為零，活塞運(yùn)動(dòng)無(wú)摩擦，ー氧化碳的氧化反響可以進(jìn)展到底,全部氣體均為抱負(fù)氣體。求從反響開(kāi)頭到完畢并到達(dá)熱平衡時(shí)整個(gè)氣缸系統(tǒng)的。、W、XU、二氧化族和氫氣的C 八m均為3.5R,ー氧化/和二氧化碳在25C下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焰分別為:-110.525klmoロ、-393.609kJmol-i?(16分)解：缸壁和活塞均為絕熱,故整個(gè)氣缸系統(tǒng)無(wú)熱交換，即。=0。對(duì)隔板固體的左邊系統(tǒng)狀態(tài)變化為恒容過(guò)程,可設(shè)想如下:0.005mol〇(g)+0.0ImolCO(g) 0.01molCO(g)'.恒">0.0ImolCO(g)過(guò)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對(duì)于帶有活塞的右邊系統(tǒng),發(fā)生恒壓變化,即lmolH425℃,レ)fImolH(r,p,レ)過(guò)程熱。七二〃(HJC(7^298.15K)=[1X3.5X8.315X(77K-298.15)]J=(29.1077K-8676.9)J總熱效應(yīng)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氧氣、Imol氫氣和Imol過(guò)熱冰在ー溫度為25℃?壓カ為lOOkPa的反響器中進(jìn)展恒溫恒壓反響,假定平衡時(shí)化學(xué)反響已進(jìn)展到底,求從反響開(kāi)頭到系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)的Q、W、Aリ、NH、AS、ARAG。氫氣、氧氣、和液態(tài)水在25℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)炳分別為:130.684JmoiK-i、205.138JmoiKT、69.91JmoHK?,液態(tài)水在25c時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焙為-285.830kJ-moH,飽和蒸氣壓為3.167kPa,冰在0C時(shí)的可逆熔化焙為5.999kJmol-i,水在100c時(shí)的可逆蒸發(fā)熔為40.668kJmol-h水蒸氣、水和過(guò)熱冰的C分別為33.577J-mol-i-K-i>75.291Jmol-i-K\36.000J 無(wú)視熱容隨溫度的變化、分散態(tài)受壓カ的影響及分散態(tài)的體積,全部氣體可近似看成抱負(fù)氣體。 (16分)解:反響過(guò)程為1molH(g)+lOmo!〇(g)+lmolHO(s)-9.5molO(g)+2molH0(1)依據(jù)基?；舴蚬?奇算25C時(shí)1ねH?0⑸4溶化焙為AfuH=lX[5999+(75.291-36.00)X25]j=6981JImolキ的生成焰為ー285.830kJ,所以整個(gè)過(guò)程的焙變?yōu)閝〃=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對(duì)于25℃時(shí)冰的熔化過(guò)程,設(shè)想如下ImolHO(s,25℃)-ImolH〇⑸0℃)-lmolH0(1,0℃)-ImolH0(1,25℃)精變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反響矯變AS=(69.91-130.684-0.5X205.138)JK-i=-163.3JK'總嫡變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℃時(shí),苯的飽和蒸氣壓是13.332kPa,辛烷的飽和蒸氣壓是2.6664kPa,假設(shè)將Imol辛烷溶于4moi苯中,形成的溶液是抱負(fù)溶液，計(jì)算:(1)該溶液的總蒸氣壓:(2)氣相組成(用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)表示)：(3)將氣相完全冷凝后,并讓其到達(dá)氣液平衡，問(wèn)此時(shí)的氣相組成有多少?(15分)解：(1)?？?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)這時(shí)氣相組成即為液相組成,所以y產(chǎn)PJx …*x)=13.332X0.9524/(13.332X0.9524+2.6664X0.0476)=0.9901y*Cf99°l=°0099從上計(jì)算結(jié)果說(shuō)明,通過(guò)不斷氣化和冷凝，氣相組分朝純易揮發(fā)組分(苯)靠近。.反響C(石墨)=C(金剛石)25℃時(shí)，ユ空=1880J-moiAr5^=-3.31JK-i-mol-i,金剛石和石墨的密度分別為3.51g?cm-3和2.22g-cm-3。(1)導(dǎo)出AG$=a。的關(guān)系式,并用此式計(jì)算500K的△G’值,計(jì)算的時(shí)候假定厶"S,rm rm rm'ゼ:是常數(shù)。(2)計(jì)算500K反響處于平衡時(shí)的壓カ。問(wèn)在25℃,標(biāo)準(zhǔn)壓カlOOkPa時(shí)哪ー種形式的碳在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定,這種形式的碳在全部的7和lOOkPa時(shí)都穩(wěn)定嗎?(3)你用哪兩個(gè)反響的△,空(簡(jiǎn)潔測(cè)定)來(lái)確定上述反響的，空。(4)依據(jù)上述計(jì)算你認(rèn)為承受什么實(shí)際條件可以從石墨制造金剛石?(15分)解：(1)利用基?；舴蚬娇傻肁%7>AW$(7)-TAS$=]880Jmol-i-TX(-3.31J-K-i-mol-i)rm rm rm=(1880+3.3177K)Jmol-iT=500K時(shí)厶G$(q=3535j.mo|-i(2)依據(jù)d(；=Vdp得平衡時(shí)有TmAG=AG$(500K)+AV(p-pヨ)=3535Jmol-i+12.01X(1/3.51-1/2.22)X10-6Xrmrm rm(p-105Pa)=0即p=1.778X109pa相當(dāng)于!7780個(gè)大氣壓。依據(jù)第(1)局部計(jì)算結(jié)果,在!OOkPa時(shí),任何溫度下均有△G$(T)>0,所以,在標(biāo)準(zhǔn)壓rmカ的任何溫度下,C(石墨)熱力學(xué)上更穩(wěn)定。(3)可用測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燃燒反響焰或標(biāo)準(zhǔn)生成反響焰來(lái)計(jì)算上述反響的厶(4)從上述結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)增加壓力的方法有可能從石墨制造金剛石，試驗(yàn)上也通過(guò)加壓到20220大氣壓下成功合成金剛石，但轉(zhuǎn)變溫度無(wú)法實(shí)現(xiàn)。.在298K時(shí)，電池Pt|H,丨H+..OH-|0JPt的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)E$=0,40V,水的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焰厶^=-237.2kJ-mol-'o求解離過(guò)程與。(1)-H+(aq)+OH(aq)的ハル(解離)和水的離子積(15分)解:電池過(guò)程:正極:(1⑵O,(g)+H,〇⑴+2e-2OH-負(fù)極:H2(g)^2H++2e-反響：H(g)+(1/2)0(g)+H0(1)f2H++2OH-,AGi=-2FE$

2 2 2 rmI水的生成反響 H(g)+(1/2)0(g)一H0(1),△Gs=Ags[反響(1)一反響(2)]/2即為水的解離過(guò)程H,〇⑴fH++OH-,.所以AG$(解離)=(厶〇’_AGs)/2=(-2尸Es-AG$)/2rm rm.1rm fm=-(2X96500X0.40-237200)Jmol-?/2=80.0kJmol-i幻=￡73+)a(OH-)=/P=exp[-A￡(解離)/叩=exp(-80000/8.315/298)=0.9516X10*.計(jì)算下述電池于298K時(shí)的電動(dòng)勢(shì)并推斷電池的反響方向:Cu|Cu(OH)(s)IOH(0.1molkg-')..Cu2+(0.1molkg-i)|Cu標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)E$(Cu2+/Cu)=0.337V,E$[Cu(OH)(s)/Cu]=-0.224V?(15分)解：電極反響：正極:Cu2+(0.1molkg-1)+2e-Cu負(fù)極:Cu+2OH(0.1mol.kgT)fCu(OH),(s)+2e-電池反響: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,電池反響正向進(jìn)展。留意：題目沒(méi)有給出活度，因此只能把濃度當(dāng)作活度計(jì)算。7.NaCl-HO所組成的二組分體系。在"21℃時(shí)有一個(gè)低共熔點(diǎn)。出時(shí),冰NaCl-2HO(s)和濃度為22.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCI水溶液平衡共存。在ー9℃時(shí)不穩(wěn)定化合物(NaCl-2tf,O)分解，生成無(wú)水NaC!和27%的NaCI水溶液。不穩(wěn)定化合物NaCl-2H0中,NaCI的質(zhì)ユ量分?jǐn)?shù)為0.619,無(wú)水NaCI在水中的溶解度受溫度的影響不大(當(dāng)溫度上升時(shí)，溶解度略有增加)。(1)試?yán)L出相圖,并指出各局部存在的相態(tài)和自由度;(2)假設(shè)有1000g28%的NaCI溶液，由160℃冷到ー10℃,問(wèn)此過(guò)程中最多能析出多少純NaCI?(3)以海水(含2.5%NaCI)制取淡水，問(wèn)冷到何溫度時(shí)析出淡水最多? (15分)解;(1)相圖如下，各區(qū)域的相態(tài)見(jiàn)相圖中，其中I為溶液。各區(qū)域的自由度F=C-P+\=3-P,單相區(qū)尸=2,雙相區(qū)ド=1,三相線F=0。1601201601208040040.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0"ftaC!與H〇二組分索嗦積速相圖NaC2 N?(2)含28%NaCl的水溶液,從溫度160℃降到無(wú)限接近一9℃時(shí)析出的是NaCL當(dāng)溫度連續(xù)降低時(shí),析出ニ水鹽。在此過(guò)程中，析出最多的NaCl的量可用ア無(wú)限靠近一9℃時(shí)用杠桿原理來(lái)計(jì)算,即%+汗NaCl=100kg,求解可得WL=1.00kg/ソザ=0.0137kgNaCl(3)接近一21C時(shí),析出的冰(淡水)最多。亠亠、,亠, ”,一,, 一」A(g)+B(g),1卜C(g)8.在ー密閉容器中,反響物A、B以等物質(zhì)的量進(jìn)展某氣相反響 ,已知298K時(shí),k=2.1xl0-5pa-i-s->,k=5xlO-i2s-i,當(dāng)溫度上升到310K時(shí),測(cè)得ん和セ的值均增加1倍,設(shè)氣體均為抱負(fù)氣體，計(jì)算:(1)298K時(shí)反響的平衡常數(shù)K,和Ks；(2)正逆反響的試驗(yàn)活化能;P298K時(shí)反響的厶Hi和AG$；rmrm(4)298K時(shí),假設(shè)反響物起始總壓為lOOkPa,要使總壓到60kPa,需要多長(zhǎng)時(shí)間?(15分)解:(l)K=k/k=2.1x10-5Pa-is-i/5xl0->2s-i=4.2X106Pa-ip1 -1nK$=BSb爐)％=Kけ)ー嗎=KpXpヨ=4.2XIOPa-iXKMPa=4.2X10n(2)E^Ea=RT'Tln(k7k)/(T-T)=S.315X310X298Xln(2)/(310-298)kJmol-'=4437kJ-mol-'(3J恒容反響-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 。慫.0=2%t=0PppQ-pp=PQ+P動(dòng)力學(xué)方程 -dp/dLkアユ-k(p—p)^k[p^+(p—p)/K]移項(xiàng) ーdp/[p2+"—〃o)/K]=kdr[!/(p-a)-]/(p-b)]dp/(b-a)=ん]dl積分得 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因逆反響速率常數(shù)很小,故逆反響影響可無(wú)視,這時(shí)—dp/dt=kp2積分得p~\-pT=ki即 r=(pTちー加=[(10000)-1-(50000)-1]/2.1x10-5Pa-i?s-i=3.81s結(jié)果ー樣。因此,此[建議承受近似法處理,否則計(jì)算過(guò)于麻煩和費(fèi)時(shí)間,出題時(shí)假設(shè)加上忽略逆反響的影響更為合理些!二.簡(jiǎn)答題.試用熱力學(xué)第一和其次定律證明任何封閉系統(tǒng)從ー個(gè)ー樣始態(tài)到ー個(gè)ー樣末態(tài)的全部過(guò)程中,以可逆過(guò)程對(duì)外做功最大,承受環(huán)境的功最小。(7分)證明:依據(jù)功的定義8W=-pdV,設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境間存在壓カ差”招ーp,因此有8W^-pdV=(Ap-p)dV=ApdV+SW其中3W=—pdレ