物理化学第二版作业答案

物理化学作业题答案

第六章 相平衡 思考题

5．在含有氨的容器中氯化铵固体分解达平衡，43NH Cl(s)NH (g)HCl(g)+垐?噲?

。指出该系统

的独立组分数、相数和自由度？

答：反应中有三个物种，一个平衡限制条件，没有浓度限制条件。所以独立组分数为2，相数为2，自由度为2。 习题解析

3．3CaCO (s)在高温下分解为CaO(s)和2CO (g)，根据相律解释下述实验事实。

(1) 在一定压力的2CO (g)中，将3CaCO (s)加热，实验证明在加热过程中，在一定的温度范围内

3CaCO (s)不会分解。(2) 在3CaCO (s)的分解过程中，若保持2CO (g)的压力恒定，实验证明达分解

平衡时，温度有定值。

解：(1) 该系统中有两个物种，2CO (g)和3CaCO (s)，所以物种数2S =。在没有发生反应时，

组分数2C

=。现在是一个固相和一个气相两相共存，2P =。当2CO (g)的压力有定值时，根据相律，

条件自由度*

12121f C P =+-=+-=。这个自由度就是温度，即在一定的温度范围内，可维持两相平衡共存不变，所以3CaCO (s)不会分解。

（2）该系统有三个物种，2CO (g)，3CaCO (s)和CaO(s)，所以物种数3S

=。有一个化学平衡，

1R =。没有浓度限制条件，因为产物不在同一个相，故2C =。现在有三相共存（两个固相和一个气

相），3P =。若保持2CO (g)的压力恒定，条件自由度*

12130f C P =+-=+-=。也就是说，在保持2CO (g)的压力恒定时，温度不能发生变化，即3CaCO (s)的分解温度有定值。

5．结霜后的早晨冷而干燥，在-5℃，当大气中的水蒸气分压降至 Pa 时，霜会升华变为水蒸气吗? 若要使霜不升华，空气中水蒸气的分压要有多大？已知水的三相点的温度和压力分别为 K 和611 Pa ，水的摩尔气化焓1vap m

45.05 kJ mol H -∆=⋅，冰的摩尔融化焓1fus m 6.01 kJ mol H -∆=⋅。设相变时的

摩尔焓变在这个温度区间内是常数。

解：冰的摩尔升华焓等于摩尔熔化焓与摩尔气化焓的加和，

用Clausius-Clapeyron 方程，计算 K （-5℃）时冰的饱和蒸气压 (268.15K)51 06011

ln

611 Pa

8.314273.16268.15p =

-

⎛

⎫

⎪⎝⎭

解得

(268.15K)401.4 Pa p =

而 K （-5℃）时，水蒸气的分压为 Pa ，低于霜的水蒸气分压，所以这时霜要升华。当水蒸气分压等于或大于401.4 Pa 时，霜可以存在。

9．根据2CO 的相图，回答如下问题。

（1）说出OA ，OB 和OC 三条曲线以及特殊点O 点与A 点的含义。 （2）在常温、常压下，将2CO 高压钢瓶的阀门慢慢打开一点，喷出的

2CO 呈什么相态？为什么？

（3）在常温、常压下，将2CO 高压钢瓶的阀门迅速开大，喷出的2CO 呈什么相态？为什么？ （4）为什么将2CO (s)称为“干冰”？2CO (l)在怎样的温度和压力范围内能存在？

解：（1）OA 线是2CO (l)的饱和蒸气压曲线。OB 线是2CO (s)的饱和蒸气压曲线，也就是升华曲线。OC 线是2CO (s)与2CO (l)的两相平衡曲线。O 点是2CO 的三相平衡共存的点，简称三相点，这时的自由度等于零，温度和压力由系统自定。A 点是2CO 的临界点，这时气-液界面消失，只有一个相。在

A 点温度以上，不能用加压的方法将2CO (g)液化。

（2）2CO 喷出时有一个膨胀做功的过程，是一个吸热的过程，由于阀门是被缓慢打开的，所以在常温、常压下，喷出的还是呈2CO (g)的相态。

（3）高压钢瓶的阀门迅速被打开，是一个快速减压的过程，来不及从环境吸收热量，近似为绝热膨胀过程，系统温度迅速下降，少量2CO 会转化成2CO (s)，如雪花一样。实验室制备少量干冰就是利用这一原理。

（4）由于2CO 三相点的温度很低，为216.6 K ，而压力很高，为518 kPa 。我们处在常温、常压下，只能见到2CO (g)，在常压低温下，可以见到2CO (s)，这时2CO (s)会直接升华，看不到由

2CO (s)变成2CO (l)的过程，所以称2CO (s)为干冰。只有在温度为216.6 K 至304 K ，压力为

518 kPa 至7400 kPa 的范围内，2CO (l)才能存在。所以，生活在常压下的人们是见不到2CO (l)的。

12．在大气压力下，液体A 与液体B 部分互溶，互溶程度随温度的升高而增大。液体A 和B 对Raoult 定律发生很大的正偏差，在它们的B T w -的气-液相图上，在363 K 出现最低恒沸点，恒沸混合物的组成为B 0.70w =。液体A 与液体B 的B T w -的气-液相图，与液体A 与B 部分互溶形成的帽形区在363 K 时重叠，在363 K 的水平线上有三相共存：液体A 中溶解了B 的溶液1l ，其B 0.10w =；液体B 中溶解了A 的溶液2l ，其B 0.85w =；以及组成为B 0.70w =的气-液组成相同的恒沸混合物。根据这些数据：

（1）画出液体A 与液体B 在等压下的B T w -的相图示意图。设液体A 的沸点为373 K ，液体B 的沸点为390 K 。（2）在各相区中，标明平衡共存的相态和自由度。

（3）在大气压力下，将由350 g 液体A 和150 g 液体B 组成的物系缓缓加热，在加热到接近

363 K （而没有到达363 K ）时，分别计算1l 和2l 两个液体的质量。

解：（1）根据题意，所画的相图示意图如下，

（2）CED 线以上，是A 和B 的混合气体单相区，对于二组分系统，根据相律，条件自由度

*2f =；

A CF 线以左，是液体A 中溶解了

B 的溶液1l ，单相区，*2f =； CFE 线之内，是气体与溶液1l 的两相平衡共存区，*1f =； B DG 线以右，是液体B 中溶解了A 的溶液2l ，单相区，*2f =； DEG 线之内，是气体与溶液2l 的两相平衡共存区，*1f =； FEG 线以下，是溶液1l 与溶液2l 的两相平衡共存区，*1f =；

（3）在由350 g 液体A 和150 g 液体B 组成的物系中，B 150 g

0.30(150350)g

w =

=+