北京科技大学-冶金物理化学--第二章-作业答案

第一章作业总结1P3178计算氧气转炉钢熔池(受热炉衬为钢水量的10%)中，每氧化0.1%的[Si]使钢水升温的效果。若氧化后SiO2与CaO成渣生成2CaO•SiO2（渣量为钢水量的15%），需要加入多少石灰（石灰中有效灰占80%），才能保持碱度不变（0.81kg）,即;增加的石灰吸热多少?(答案：1092.2kJ)欲保持炉温不变，还须加入矿石多少kg?已知：2229822;97.07kJ/molrSiOCaOCaOSiOH钢的比定压热容p,0.84kJ/(Kkg)stC；炉渣和炉衬的比定压热容p,,1.23kJ/(Kkg)slfrC;矿石的固态平均比热容p,ore1.046kJ/(Kkg)C;矿石熔化潜热fusore209.20/HkJkg;2r[Si]2[O](SiO);H-600kJ/mol221r[Si]O(SiO);H=28314kJ/kgSi,H792.792kJ/mol解：221[Si]O(SiO);H=28314kJ/kgSi硅氧化所产生的化学热不仅使钢水升温，而且也使炉渣、炉衬同时升温。忽略其他的热损失。设有钢水质量mst,根据p,p,p,()ststslslfrfrQcmcmcmt11p,p,p,p,p,p,11p,p,p,p,p,p,0.1%0.1%0.1%10%15%(10%15%)0.1%28314=0.841.2310%stststslslfrfrststslslfrfrststststslstfrstststslfrmHQtcmcmcmcmcmcmmHmHcmcmcmmccc-1.2315%=24.67K-，升温硅的氧化反应是放热反应，所以钢水升温约24.67K。方案一：过剩碱度：氧化后SiO2与CaO成渣生成2CaO•SiO2,即渣中的（CaO）减少，碱度减小，减少的量是与氧化后SiO2结合CaO的量。所以需要增加石灰，使得碱度不变。工程碱度：氧化后的SiO2使得(SiO2)增多，（CaO）不变，碱度减小，所以需要增加石灰。2(CaO)3(SiO)wRw第一章作业总结2(CaO)(CaO)2200(CaO)00(SiO)(SiO)3lim(CaO)0.1%230.1%0.1%5580%=22565104284=1000kg,5kgstCaOSiststeCaOstSistmwMwwMRwwmmwwMmMm如果则新增石灰为。方案二：[Si]氧化成（SiO2）,增加的SiO2量为22SiOSiO0.1%mstSimMM,根据碱度,要使碱度不变，CaO需要增加3倍的生成SiO2量。则223CaOSiOSiO0.1%m=3m80%380%8.03610ststSimMmM2229822;97.07kJ/molrSiOCaOCaOSiOH氧化热、成渣热、石灰吸热2[Si]11(SiO)222p,p,p,=0.1%=28.314/kg0.1%0.1%n=97.07/3.4667/kg0.028/+28.3143.4667=0.841.2310%1.23stststststSiststslslfrfrQmHmHmkJmmQHHkJmolmkJMkgmolQQtcmcmcm氧化成渣成渣氧化-，放热（-）-，放热--lime,limlim3lime27.69615%0.90/(K)0.005(T27.69298)7.185/,=1000kg,T=1873K=7185.peestststKKQcmtkJkgmKKmkJkgmQkJ-，升温吸热当时，欲保持恒温limeore,oreMfusp,stM++m(c(T298)Hc(T298))=0pQQQ氧化成渣MT为矿石的熔点。以Fe2O3为例，熔点MT=1838K=1465℃。设矿石融化后后，刚好保持体系温度不变。则：则limeore,oreMfusp,oreM-3+mc(T298)Hc(TT)28.3143.46677.185=1.046(1873298)209.20=9.53910pststQQQKmm氧化成渣当mst=1000kg,需加入矿石9.539kg.2(CaO)3(SiO)wRw第一章作业总结312在298～923K(Al的熔点）温度范围内，计算Al2O3的标准生成吉布斯自由能与温度的关系。已知298(AlO)231673600J/molH;298(AlO)2328.33J/Kl()moS;298(Al)28.33J/l)o(KmS298(O)2205.13J/l)o(KmS;233,AlO(s)114.7712.8010J(/mo)KlpCT3,Al(s)20.6712.3910J/(K)olmpCT;解：22332+2AlOAlO;232,AlO(s),Al(s),O3228.490.018272ppppCCCCTV定积分法：29829829829829829822228.490.01827167360028.490.01827313.3150.01827313.31528.49lnln298167360028.4929829821681278.79528.490.009135TTTpTTTSHCSdTHCpdTTTTdTdTTTTTTTVVVVVV0.1827(298) 470.1828.49ln0.01827TTT2  1681278.79528.49ln498.670.009135TTTGHTSTTTTVVV不定积分法：298(AlO)2322T00298;28.49,0.01827ln22167300=6/pTcabTabbbHHaTTGHaTTTITHHJmol;VVVVVVVVVVVT=298K时，求出01681278.795/HJmolV将此结果代入（2）式，求出498.67I第一章作业总结4202   21681278.79528.49In0.0091498.67TbGHaTInTTITTTTTVVVV注：定积分法和不定积分法，最好不要混用，调理要清晰，逻辑要顺畅。第一章作业总结513利用气相与凝聚相平衡法求1273K时FeO的标准生成吉布斯自由能FeOxfG。已知：反应(s)2(g)(s)2(g)FeOHFeHO在1273K时的标准平衡常数K=0.668；2H2(O)2()2()24958051.111HOHOJ/2molgggfGT解：(s)2(g)(s)12fFeOFeOFeOG，（1）22(g)2(g)2(g)1,2fHOHOHOG（2）（2）-（1）=（3）得(s)2(g)(s)2(g)=,rFeOHFeHOG（3）222ln8.3141273ln0.6684270.18/127324958051.111273184516.97/184516.974270.18188787.15/fHOfFeOrfFeOfHOrrrHOrFeOGGGGGGGRTKJmolGKJmolGJmolVVVVVVV第一章作业总结614利用吉布斯自由能函数法计算下列反应在1000K时的fG()2()()1MgOMgO2lgs已知1000K时的下列数据物质-1298Jmo/()lKTGHT8129/kJmolHMg(l)-47.20MgO(s)-48.1-601.8物质-10/m()JolKTGHT29801/?HHJmolO2(g)-212.128656.7解：首先，将气态O2的fef值换算为参考温度为298K时的fef，即222229802980()=()()8656.7212.12/()1000220.7767/()TOOTOOGHfefTGHHHTTJmolKJmolK212148.147.2220.7767/()2109.48835/()iiMgOMgOifeffeffeffeffefJmolKJmolKV1000298601.810001000109.48835/492311.65/fTrrGGHTfefJmolJmolVVVV注：需要把O2在0K的焓函数fef换算成参考温度为298K时的fef是本题的关键。另外，计算要准确，过程和结果数据要匹配。第一章作业总结7P31711指出1000K时，在标准状态下，下述几种氧化物哪一个最容易生成。已知各氧化物的标准生成吉布斯自由能如下：MnOfG=T36.76384930J/mol32OMnfG=T18.254969640J/mol2MnOfG=T67.20152300J/mol43OMnfG=T62.3501384900J/mol解：2f2G222GxyxyryxMOMOxMOMOyy比较氧化物生成的难易程度，由反应的rG决定。2ririOGGRTInp在标准状态p下，在1000K时，在相同的条件，比如1molO2,各组元的20ORTInp，所以各氧化物的反应吉布斯能2xyririfMOGGGy21223223223223443422,2()617140/22,0.67()476973/33,()149370/31,0.5()517140/22rfrfrfrfMnOMnOGGMnOJmolMnOMnOGGMnOJmolMnOMnOGGMnOJmolMnOMnOGGMnOJmolVVV因为1423rrrrGGGG所以MnO最易生成。第一章作业总结815用Si热法还原MgO,即Si(s)+2MgO(s)=2Mg(s)+SiO2(s)的标准吉布斯自由能与温度的关系为523000211.71,/rGTJmol试计算（1）在标准状态下还原温度；（2）若欲使还原温度降到1473K,需创造什么条件？作业反馈及疑难问题分析：一半人能做对这题。（1）不知道1473K时Mg已呈气态，因而对问题（2）无从下手解决是最常见的错误。（2）200lnPPRTrGrGMg≤0解：（1）欲使反应进行，需523000211.710rTGT算得2470.36TK（2）镁的熔点为648℃，沸点1107℃（1380K），故镁在1473K时，是气态。欲使还原温度降到1473K，需满足2ln()0MgrTrTPGGRTPVVg523000211.7114738.31414732ln8.31414732ln1013250211151.1724493ln282308.99018.265MgMgMgPPPPa（）第一章作业总结916已知在460-1200K温度范围内，下列两反应的G与T的关系式如下：(s)(s)3(s)f(s)23FeCFeC2667024.33,/CCO2CO162600167.62,/rGTJmolGTJmol问：将铁放在含有CO220%、CO75%、其余为氮气的混合气体中，在总压为202.65KPa,温度为900℃的条件下，有无Fe3C生成？若要使Fe3C生成，总压需多少？解：33sssFeCFeC（1）22sggCCOCO（2）（1）-（2）=（3）得：32sgsg3Fe2COFeCCO（3）3(266702