试计算含有30%(摩尔分数)氮气(1)和70%(摩尔分数)正丁烷(2)气体混合物7g,在188℃、6.888MPa条件下的体积。已知B11=14cm3/mol,B22=-265cm3/mol,B12=-9.5cm3/mol。
试计算含有30%(摩尔分数)氮气(1)和70%(摩尔分数)正丁烷(2)气体混合物7g,在188℃、6.888MPa条件下的体积。已知B11=14cm3/mol,B22=-265cm3/mol,B12=-9.5cm3/mol。
题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查气体混合物的体积计算,涉及摩尔分数的应用、混合物第二维里系数的计算以及维里方程的使用。
解题核心思路:
- 确定总物质的量:根据混合物的总质量和各组分的摩尔分数,计算总物质的量。
- 计算混合物的第二维里系数:利用混合规则结合各组分的维里系数,求出混合物的$B_{\text{mix}}$。
- 应用维里方程:通过压缩因子$Z$修正理想气体状态方程,最终求出气体体积。
破题关键点:
- 单位转换:压力需从MPa转换为atm,以匹配维里系数的单位。
- 混合物维里系数的混合规则:正确代入各组分的摩尔分数和维里系数。
1. 计算总物质的量$n$
混合物总质量为$7\ \text{g}$,由氮气(摩尔分数$0.3$,摩尔质量$28\ \text{g/mol}$)和正丁烷(摩尔分数$0.7$,摩尔质量$58\ \text{g/mol}$)组成:
$0.3n \cdot 28 + 0.7n \cdot 58 = 7 \implies n = \frac{7}{0.3 \cdot 28 + 0.7 \cdot 58} = 0.1429\ \text{mol}.$
2. 计算混合物的第二维里系数$B_{\text{mix}}$
根据混合规则:
$B_{\text{mix}} = x_1^2 B_{11} + x_2^2 B_{22} + 2x_1x_2B_{12},$
代入数据:
$B_{\text{mix}} = 0.3^2 \cdot 14 + 0.7^2 \cdot (-265) + 2 \cdot 0.3 \cdot 0.7 \cdot (-9.5) = -132.58\ \text{cm}^3/\text{mol}.$
3. 计算压缩因子$Z$
将压力$P = 6.888\ \text{MPa}$转换为atm:
$P = \frac{6.888}{0.101325} \approx 68.0\ \text{atm}.$
维里方程的压缩因子为:
$Z = 1 + \frac{B_{\text{mix}} \cdot P}{R \cdot T},$
其中$R = 82.1\ \text{cm}^3 \cdot \text{atm}/(\text{mol} \cdot \text{K})$,$T = 461.15\ \text{K}$:
$Z = 1 + \frac{(-132.58) \cdot 68.0}{82.1 \cdot 461.15} \approx 0.7622.$
4. 计算体积$V$
通过修正后的理想气体状态方程:
$V = Z \cdot \frac{nRT}{P},$
代入数据:
$V = 0.7622 \cdot \frac{0.1429 \cdot 82.1 \cdot 461.15}{68.0} \approx 60.57\ \text{cm}^3.$