第四章 多组分系统热力学及其在溶液中的应用
更新时间:2024-05-27 20:59:01 阅读量: 综合文库 文档下载
第四章 多组分系统热力学及其在溶液中的应用
1.在298K时,有0.10kg质量分数为0.0947的硫酸H2SO4水溶液,试分别用(1)质量摩尔浓度mB;(2)物质的量浓度和cB(3)摩尔分数xB来表示硫酸的含量。已知在该条件下,硫酸溶液的密度为1.0603?103kg?m?3 ,纯水的浓度为997.1kg?m?3 。
解:质量摩尔浓度:
nH2SO40.1?9.47%mB??/?100?9.47?%?0.1W水98
?1.067mol?kg?1 物质量浓度:
nH2SO40.1?9.47%?100?9.47?%?0.1c??/ B V水98997.1?1.023?103molgm?3nH2SO4 摩尔分数:xB??0.0189
nH2SO4?nH2O2、在298K和大气压力下,含甲醇(B)的摩尔分数xB为0.458的水溶液密度为
0.8946kg?dm?3,甲醇的偏摩尔体积V(CH3OH)?39.80cm3?mol?1,试求该水溶液中水的摩尔体积V(H2O)。
解:V?nCH3OHVCH3OH?nH2OVH2O
VH2O?V?nCH3OHVCH3OHnH2O
以1mol甲醇水溶液为基准,则
m0.458?32?(1?0.458)?183V???0.02729dm 3?0.8946?10∴VH2O0.02729?0.458?39.80?10?3??16.72cm3?mol?1
1?0.458
3.在298K和大气压下,某酒窖中存在酒10.0m3,其中含乙醇的质量分数为0.96。今欲加水调制含乙醇的质量分数为0.56的酒,试计算
(1)应加入水的体积;
(2)加水后,能得到含乙醇的质量分数为0.56的酒的体积
已知该条件下,纯水的密度为997.1kg?m?3,水和乙醇的偏摩尔体积为
??C2H5OH?
0.96 0.56
nC2H5OH:nH2O?V?H2O?/?10?6m3?mol?1? V?C2H5OH?/?10?6m3?mol?1?
14.61 17.11 58.0 56.58
解:设加入水的物质的量为n?H2O,根据题意,未加水时,
0.961?0.96:?9.391 4618?6?6 V1?n 即 ?V?n?V10?n?14.61?10?n?58.01?10C2H5OHCHOHH2OC2H5OH252HO2HO解出:nC2H5OH?167882mol
nH2O?17877mol 加入水后,
0.56?10.56??n)?:?0.4 98HO22HO46180.56?10.56?8nH72O7??):? 167882:(17 0.4984618' nH?317887mol 2O:(n nC2H5OH加入水的物质的体积为
?331788?7?18103 VH2O?? )?5.72m7(999.1'V2?nC2H5OHVC2H5OH?(nH2O?nH)VH2O2O?nC2H5OH?56.58?10?(17877?n?6'H2O)?17.11?10?6
V2?9.4984495?5.767531?15.266m3
4.在298K和100kPa下,甲醇(B)的摩尔分数xB为0.30的水溶液中,水(A)和甲醇(B)的偏摩尔体积分别为:V(H2O)?17.765cm3?mol?1,V(CH3OH)?38.632cm3?mol?1。已知在该条件下,甲醇和水的摩尔体积分别为:Vm(CH3OH)?40.722cm3?mol?1,
V(H2O)?18.068cm3?mol?1。现在需要配制上述溶液1000cm3,试求
(1)需要纯水和纯甲醇和体积; (2)混合前后体积的变化值。 解:(1)V1?nB?VB?nA?VA 以1mol甲醇水溶液为基准,则
3xB:xA?nB:nA?0.3:0.7?nB?nA
73V1?nA?38.632?nA?17.765?1000cm3
7解得:nA?29.14mol,nB?12.49mol
(2)V(CH3OH)?Vm(B)?12.49?508.6cm3
V(H2O)?Vm(A)?29.14?526.5cm3
混合前:V0?nA?Vm(A)?nB?Vm(B)?526.5?508.6?1035.1cm3
?V?V后?V前?V1?V0?1000?1035.1??35.1cm3
5、在298K和大气压力下,溶质NaCl(s)(B)溶于1.0kgH2O(l)(A)中,所得溶液的体积V与溶入NaCl(s)(B)的物质的量nB之间的关系式为:
V?[1001.38?16.625(nBnn)?1.774(B)3/2?0.119(B)2]cm3 molmolmol试求:(1)H2O(l)和NaCl的偏摩尔体积与溶入NaCl(s)的物质的量nB之间的关系; (2)nB?0.5mol时,H2O(l)和NaCl的偏摩尔体积;
(3)在无限稀释时,H2O(l)和NaCl的偏摩尔体积。 解:(1)VNaCl?(?V3)T,p,nC?16.625??1.774nB?2?0.119nB ?nB2V?nBVNaCl?nAVH2O VH2O?V?nBVNaCl?nA
{[1001.38?16.625nB?1.774(nB)3/2?0.119nB2]3?nB(16.625??1.774nB?2?0.119nB)}/(1000?18)21VH2O?[1001.38??1.774(nB)3/2?0.119(nB)2]/55.556
2(2)nB?0.5mol时,
1VH2O(l)?[1001.38??1.774(0.5)3/2?0.119(0.5)2]/55.5562
1001.0367??18.019cm3?mol?155.5563VNaCl?16.625??1.7740.5?2?0.119?0.5 2?16.625?1.882?0.119?18.626cm3?mol?1(3)nB?0时,(无限稀)
VH2O(l)?18.025cm3?mol?1,VNaCl?16.625cm3?mol?1
6.在293K时,氨的水溶液A中NH3与H2O的量之比为1:8.5,溶液A上方NH3的分压为10.64kPa;氨的水溶液B中NH3与H2O的量之比为1:21,溶液B上方NH3的分压为3.597kPa。试求在相同温度下
(1)从大量的溶液A中转移1molNH3(g)到大量的溶液B中的?G; (2)将处于标准压力下的1molNH3(g)溶于大量的溶液B中的?G。
解:(1)?G??i(2)??i(1)?(?*?RTlnx2)?(?*?RTlnx1)
?RTlnx29.5 ?8.314?293?lnx122??2.0kJ?mol?1
(2)?G??(sol)??(l)??(g,p)??(g,p?)
p ???(g)?rtln????(g)
p
3.597??8.32kJ?mol?1 1007、300K时,纯A与纯B可形成理想的混合物,试计算如下两种情况的?G值。 (1)从大量的等物质的纯A与纯B可形成理想的混合物中,分出1mol纯A的?G; (2)从A与纯B各为2mol所形成的理想混合物中,分出1mol纯A的?G。
?8.314?293?ln解:(1)?G??*A??(A,B)?G后?G前??nBGB,m(后)??nBGB,m(前)
BB?G?[(2?1)?A?n?B??*A]?(n?A?n?B)
*??*A?(?A?RTlnxA)?8.314?300?ln0.5?1.717(kJ)
(2)同理:?G?[(2?1)?A??2?B???*A]?(2?A?2?B)
121***?G??*?RTln?2?(??RTln)?1???[2(??RTln)]ABAA332121 ?[RT(ln?2ln?4ln)]33216?4?RTln?2.138(kJ)27
8、在413K时,纯C6H5Cl(l)和纯C6H5Br(l)的蒸汽压分别为125.24kPa和66.10kPa,假定两种液体形成理想液态混合物,在101.33kPa和413K时沸腾,试求
(1)沸腾时理想液态混合物的组成; (2)沸腾时液面上蒸汽的组成。 解:(1)设C6H5Cl(l)的摩尔分数为xB
pC6H5Cl?pC6H5Br?p?
*?*(1?x)p?p xB?pC?BHClC6H5Br65xB?p??p*CHBr65*p*?pCHClCHBr6565?101.33?66.1?0.60
125.24?66.1 C6H5Br(l)的摩尔分数为:1?xB?0.40
(2)蒸汽的组成C6H5Cl(l)的分压pC6H5Cl?p*C6H5Cl?xB?75.144kPa C6H5Br的分压 pC6H5Br?26.44kPa
yC6H5Cl?yC6H5Br75.144?0.74 75.144?26.44?1?yC6H5Cl?0.269、液体A与液体B能形成理想液态混合物,在343K时,1mol纯A与2mol纯B形成理想液态混合物的总蒸汽压为50.66kPa,若在液态混合物中再加入3mol纯A,则液态混合物的总蒸汽压为70.93kPa。试求
(1)纯A与纯B的饱和蒸汽压;
(2)对第一种理想液态混合物,在对应的气相中A与B各自的摩尔分数。
解:(1)理想液态混合物,根据拉乌尔定律 xA?pA/p? A? 1mol A+1mol B p?gx?pgxB?p总 AAB'?'' 加入3molA后 p? gx?pgx?pAABB总{12?p?g?pg?50.66kPaAB3321?p?g?pg?70.93kPaAB33解得{p?p?g?91.20kPaAB?30.39kPa
(2)对第一种理想液态混合物:
191.2?0pgxA3?0.60y?? A p总50.66?AyB?1?y0.40A?10.在293K时纯C6H6(l)和纯C6H5CH3(l)的蒸汽压分别为9.96kPa和2.97kPa,今以等质量的苯和甲苯混合形成理想液态混合物,试求
(1)与液态混合物对应的气相中,苯和甲苯的分压; (2)液面上蒸汽的总压力。
解(1)设C6H6和C6H5CH3的质量为m,则苯的物质的量为
nA?mm 甲苯的物质的量 n?B?1?178g?mol92g?molnAxA??nA?nBmm7878?m?0.541 92xB?1?xA=1-0.541=0.459
甲苯的分压 :PB?P?xB=2.97kPa?0.459=1.363kPa
? 苯的分压 :PA?PAxA=9.96kPa?0.541=5.388kPa
(2)P总?PA?PB=5.388kPa+1.363kPa=6.751kPa 11、在298K时,纯苯的气、液相标准摩尔生成焓分别为:
**?fHm(C6H6,g)?82.93kJ?mol?1和?fHm(C6H6,l)?49.0kJ?mol?1,纯苯在101.33kPa压
力下的沸点是353K。若在298K时,甲烷溶在苯中达平衡后,溶液中含甲烷的摩尔分数为x(CH4)?0.0043时,其对应的气相中甲烷的分压为p(CH4)?245.0kPa。试求:在298K时,
(1)当含甲烷的摩尔分数x(CH4)?0.01时,甲烷苯溶液的总蒸气压;
?TbMB?m(A)1.17?1.28?10?3?5.0kb???2.34(kg?K?mol?1)
m(B)3.20(2)稀溶液,若?vapHm与温度无关。
R(Tb*)28.314?(319.45)2?MAkb??MA??2.41(kg?K?mol?1)
?vapHm,A351.9?MA?vapHmdp(3)Clapeyron方程式:,液体体积与气体相比,可忽略不计 ?dTT??vapVmdp?vapHm?vapHm???p 2dTT?VgRTR(Tb*)2p?MA101.325?76.1kb??MA???2.34(kg?K?mol?1)
dp?vapHm,A3293dT20、在300K时,将葡萄糖(C6H12O6)溶于水中,得葡萄糖的质量分数为0.044的溶液。试求
(1)该溶液的渗透压;
(2)若用葡萄糖不能透过的半透膜,将溶液和纯水隔开,试问在溶液一方需要多高的水柱才能使之平衡,设这时溶液的密度为1.015kg?m?3。
解:(1)设溶液质量为1kg。
?V?nBRT
nBRT1/0.18?0.044?8.314?300?1.015?103????618.83(kPa)
V1(2)需要水柱的高度为?水gh??
h?
?618.83??63.15(m) 3?水g1.0?10?9.821.(1)人脑血浆的疑固点为?0.5oC?272.65K?,求在37oC?310.15K?时血浆的渗透压。已知水的疑固点降低常数kf?1.86K?kg?mol?1,血浆的密度近似等于水的密度,为
1?103kg?m?3;
(2)假设某人在310K时其血浆的渗透压为729kPa,试计算葡萄糖等渗溶液的质量摩尔浓度。
解:(1)?V?nBRT
??
nBRT?mB?RT??Am(A)/?A?Tfkf
?Tf?kf?mB即mB????Tfkf?RT??A?0.5?8.314?310.15?1?103?693.17kPa1.86(2)
??nBRT?mB?RT??Am(A)/?A?729??0.283mol?kg?1 3RT??A8.314?310?1?10mB?22、在298K时,质量摩尔摩尔浓度为mB的NaCl(B)水溶液,渗透压为200kPa。现在要从该溶液中取出1mol纯水,试计算这过程的化学势的变化值。设这时溶液的密度近似等于纯水的密度,为1?103kg?m?3。
解:溶液是大量的,且为稀溶液有
*????H??sol 压力对体积影响不大时 2O1?18?10?33????sol?VA???sol??200?10?3.6(J) 31?1023、某水溶液含有非挥必性溶质,在271.65K时凝固,试求 (1)该溶液的正常沸点;
(2)在298K时的蒸气压。已知该温度时纯水的蒸气压为3.178kPa。 (3)在298K时的渗透压。假设溶液是理想的稀溶液。 解:(1)水的凝固点降低常数kf?1.86K?kg?mol?1
沸点升高常数kb?0.52K?kg?mol?1
{?Tf?kf?mB?Tb?kb?mB
即:?Tb?kb0.52??Tf??(273.15?271.65)?0.42K kf1.86?Tb?Tb?Tb*?Tb??Tb?Tb*?373.15?0.42?373.57(K) ?T1.52(2)mB?f??0.806mol?kg?1
kf1.86*对于理想稀溶液,根据Rault定律pA?p*A?xA?pA?(1?xB)
nnxB?B?B?mB?MA?0.806?18?10?3?0.0145
nAWAMA*pA?p*A?xA?pA?(1?xB)?3.178?(1?0.0145)?3.132(kPa) (3)渗透压 ?VA?nBRT
nBn??RT?BART?0.806?1?103?8.314?298?1996.92(kPa) VAWA24、由三氯甲烷(A)和丙酮(B)组成的溶液,若液相的组成的??XB= 0.713,
则在301.4K时的总蒸气压
为29.39kPa,在蒸汽压中丙酮(B)的组成为yb=0.818.已知在该温度时,纯三氯甲烷的蒸汽压为29.57kPa.试求:在三氯甲烷和丙酮组成的溶液中,三氯甲烷的相对活度ax,A和活度系数rx,A
解:根据Roault定律
*pA?paAA?aA?pA/*p?APB?总?1?y?*pA 1829.?3?910?. 829.57?A?aA/?A?0.18?0.6271?0.713 25.在288K时,1 mol NaOH(s)溶在4.559 mol的纯水中所成溶液的蒸气压为596.5 Pa,在该温度下,纯水的蒸气压为1705 Pa. 试求
(1)溶液中水的活度;
(2)在溶液中和纯水中,水的化学势的差值。 解:
596.5?0.35 (1)aA?pA/p*A?1705(2)大量溶液 H2O(sol)?H2O(pure) ??????A???A?RTlnaH2O???RTlnaH2O??8.314?288ln0.35??2513.73J?mol?126、在300K时,液态A的蒸气压为37.33kPa,液态B的蒸气压为22.66kPa,当2molA与2molB混合后,液面上蒸气的总压为50.66kPa,在蒸气中A的摩尔分数为0.60。假定蒸气为理想气体,试求
(1)溶液中A和B的活度;(2)溶液中A和B的活度系数;
(3)混合过程的Gibbs自由能变化值?mixGre;
(4)如果溶液是理想的,求混合过程的Gibbs自由能变化值?mixGid。 解:由Raoult定律
aA?pAp总?yA50.66?0.6???0.81 *p*p37.33AApBp总?yB50.66?0.4???0.89 **pApB22.66aA0.81??1.62 xA0.5同理aB?(2)?A?
?B?aB0.89??1.78 xB0.5B(3)?mixGre?RT?nBlnaB??1582J (4)?mixGid?RT?nBlnxB??6915J
B27、262.5K时,在1.0kg水中溶解3.30mol的KCl(s)形成饱和溶液,在该温度下饱和溶液与冰平衡共存。若以纯水标准态,试计算饱和溶液中水的活度和活度系数。已知水的摩尔凝固焓变为?freHm?601J?mol?1。
解:实际液体混合物在262.5K时,饱和溶液与冰共存有
d?A(l)?d?A(s) 即(??A(l)??(l)??(s))p,aAdT?(A)p,TdaA?(A)pdT ?T?aA?T溶液?A??*A?RTlnaA代入
?SA(l)dT?RT*daA??Sm(s)dT aA?freHmRTdaA?dT aAT∴lnaA?*?freHmR?(T)*2f?Tf
lnaA??601(262.5?273.2) 28.314?(273.2)1000/18?0.94
1000/18?3.3aA?0.9897,xA??B?aB0.9897??1.0529 xB0.9428、在298K时,某有机酸在水和乙醚中分配系数为0.4。今有该有机酸5g,溶于
0.10dm3水中,试计算
(1)若每次用0.02dm3乙醚萃取,连续萃取两次,水中还余下有机酸的量,设所用乙醚事先已被水所饱和,萃取时不会再有乙醚溶于水;
(2)若用0.04dm3乙醚萃取一次,水中还余下有机酸的量。 解:(1)用0.02dm3乙醚萃取两次
m(B)KV?()n VA为每次溶剂的体积 m(总)KV?VAm(B)?(KV0.4?0.1)2?m(总)?()2?5?10?3?2.22?10?3(kg)
KV?VA0.4?0.1?0.02(2)同理一次萃取
m(B)?(KV0.4?0.1)?m(总)?()?5?10?3?2.5?10?3(kg)
KV?VA0.4?0.1?0.0429、在1.0dm3水中含某物质100g,在298K时,用1.0dm3乙醚萃取一次,可得该物质66.7g,试求
(1)该物质在和乙醚之间的分配系数;
(2)若用1.0dm3乙醚分10次萃取,能萃取出该物质的质量。 解:(1)溶液中剩余m(B)为
m(B)?(KV)n?m(总)
KV?VA一次萃取,蒸馏得到66.7g
m(总)?m(B)?m(总)?(1?K?0.5
KV0.5?1)?0.1?[1?()]?66.7?10?3(kg)
KV?VA0.5?1?0.11.0dm3?0.1dm3 (2)VA?10得到物质的质量:
m(总)?m(B)?m(总)?(1?KV0.5?110)n?0.1?[1?()]?0.084(kg)
KV?VA0.5?1?0.130、在293K时,浓度为1.0mol?dm?3的NH3(g)的CHCl3(l)溶液,其上方NH3(g)的蒸气压为4.43kPa;浓度为0.05mol?dm?3的NH3(g)的H2O(l)溶液,其上方NH3(g)的蒸气压为0.8866kPa。求NH3(g)在CHCl3(l)和H2O(l)两个液相间的分配系数。
解:在定温定压下达到平衡时 分配系数K?exp**(HH?H)OCHCl23RT
*而?CHCl3??CHCl?RTlnaCHCl3?RTlnp1 ① 3p1为其蒸气压
*?HO??HO?RTlnaHO?RTlnp2 ②
222**②—①得:?H???RT(lnOCHCl23aCHCl3p2?ln) p1aH2O**?H??OCHCl23RT?lnp2?aCHCl3p1?aH2O (若两者活度系数均为1,即aCHCl3?mCHCl3)
K?p2?aCHCl3p1?aH2O?0.8866?0.1?0.4
4.43?0.05另外,也可以利用NH3在两相中分配达平衡时,其蒸汽压只有一个即用浓度除以蒸汽压,进行计算。
aCHCl3aH2O K?/p1p2结果一样。
解:在定温定压下达到平衡时 分配系数K?exp**(HH?H)OCHCl23RT
*而?CHCl3??CHCl?RTlnaCHCl3?RTlnp1 ① 3p1为其蒸气压
*?HO??HO?RTlnaHO?RTlnp2 ②
222**②—①得:?H???RT(lnOCHCl23aCHCl3p2?ln) p1aH2O**?H??OCHCl23RT?lnp2?aCHCl3p1?aH2O (若两者活度系数均为1,即aCHCl3?mCHCl3)
K?p2?aCHCl3p1?aH2O?0.8866?0.1?0.4
4.43?0.05另外,也可以利用NH3在两相中分配达平衡时,其蒸汽压只有一个即用浓度除以蒸汽压,进行计算。
aCHCl3aH2O K?/p1p2结果一样。
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