25 °C 时有反应 C6H6(l) + 15/2O2(g) = 3H2O(l) + 6CO2(g)。若反应中各气体物质均可视为理想气体,则其反应的标准摩尔焓变 mathrm(D)_rmathrm(Hm) 与反应的标准摩尔热力学能变 mathrm(D)_rmathrm(Um) 之差约为A. -3.7 , mathrm(kJ) cdot mathrm(mol)^-1B. -1.2 , mathrm(kJ) cdot mathrm(mol)^-1C. 1.2 , mathrm(kJ) cdot mathrm(mol)^-1D. 3.7 , mathrm(kJ) cdot mathrm(mol)^-1
A. $-3.7 \, \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
B. $-1.2 \, \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
C. $1.2 \, \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
D. $3.7 \, \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
题目解答
答案
解析
本题考查化学反应的标准摩尔焓变 $\Delta_rH_m$ 与标准摩尔热力学能变 $\Delta_rU_m$ 之间的关系,解题思路是先明确二者的关系式,再根据反应方程式确定气体物质的化学计量数变化,最后代入数据进行计算。
步骤一:明确 $\Delta_rH_m$ 与 $\Delta_rU_m$ 的关系式
对于化学反应,$\Delta_rH_m$ 与 $\Delta_rU_m$ 的关系为:$\Delta_rH_m = \Delta_rU_m + \Delta n_g RT$,其中 $\Delta n_g$ 是反应前后气体物质的化学计量数的变化量,$R$ 是理想气体常数($R = 8.314 \, \mathrm{J} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \cdot \mathrm{K}^{-1}$),$T$ 是热力学温度。
那么 $\Delta_rH_m - \Delta_rU_m = \Delta n_g RT$。
步骤二:计算 $\Delta n_g$
根据反应方程式 $\mathrm{C_6H_6(l) + \frac{15}{2}O_2(g) = 3H_2O(l) + 6CO_2(g)}$,反应前气体的化学计量数为 $\frac{15}{2}$,反应后气体的化学计量数为 $6$。
所以 $\Delta n_g = 6 - \frac{15}{2} = \frac{12 - 15}{2} = -\frac{3}{2}$。
步骤三:确定温度 $T$
已知温度为 $25^{\circ}C$,将其转化为热力学温度:$T = 25 + 273.15 = 298.15 \, \mathrm{K}$,在计算中可近似取 $T = 298 \, \mathrm{K}$。
步骤四:计算 $\Delta_rH_m - \Delta_rU_m$
将 $\Delta n_g = -\frac{3}{2}$,$R = 8.314 \, \mathrm{J} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \cdot \mathrm{K}^{-1}$,$T = 298 \, \mathrm{K}$ 代入 $\Delta_rH_m - \Delta_rU_m = \Delta n_g RT$ 可得:
$\begin{align*}\Delta_rH_m - \Delta_rU_m&= -\frac{3}{2} \times 8.314 \, \mathrm{J} \cdot \mathrm{mol}^{-1} \cdot \mathrm{K}^{-1} \times 298 \, \mathrm{K}\\&= -3716.31 \, \mathrm{J} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\\&= -3.71631 \, \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\\&\approx -3.7 \, \mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\end{align*}$