Решение задач. Восстановление-окисление

Задачи для самостоятельного решения

1 Определить равновесный состав и кислородный потенциал газовой

смеси CO-CO2 при температуре 1800 К и общем давлении 1 атм, используя

данные о термодинамических свойствах веществ:

Вещество

∆ H ° ,

S°f

298

298,

CP = a + bT + cT-2, Дж/моль∙K

кДж/моль

Дж/моль∙K

a

b∙103

-110,5

197,4

28,41

4,10

0

205

31.46

3.39

-393,5

213,6

44,14

9,04

2 Определить равновесный состав газовой смеси для реакции Будуара

при температуре 1 000 К и общем давлении 104 Па, используя уравнение

температурной зависимости константы равновесия реакции газификации

углерода:

lg K =−9001P

+9,28

T

.

3 Определить температуру начала восстановления оксида свинца

твердым углеродом для следующих случаев: 1) аMe = 1, аMeO = 1, P = 104 Па; 2)

аMe = 0,1, аMeO = 1, P = 105 Па, 3) а

5

Me = 1, аMeO = 0,1, P = 10 Па. Сделать выводы

на основании результатов расчетов. Справочные данные взять в Примере 7

4 Рассчитать, при каком общем давлении в системе реакция

восстановления оксида свинца углеродом начнется при температуре 500 К.

Для решения задачи принять условие образования чистых конденсированных

фаз; cправочные данные взять в Примере 7

5 Для реакции

WO2 + 2H2 = W + 2H2O

рассчитать равновесный состав газовой смеси Н2-Н2О для температуры 1100

К, если известно, что исходная система содержала 1 моль водорода, а

температурные зависимости энергии Гиббса образования оксида вольфрама и

воды описываются, соответственно, уравнениями

∆ G°f

WO =−585 440+171,95 ∙T , Дж ,2

∆ f G

°

H O=−246 115+54,1 ∙ T , Дж .2

6 Изложницы для разливки стали покрывают изнутри огнеупорной

краской на основе оксида хрома. Углерод, содержащийся в жидкой стали,

может частично восстанавливать хром по реакции

Cr2O3 + 3[C] = 2[Cr] = 3CO.

Определить давление газа, образующегося в этой реакции при 1 850 К,

если сталь содержит 0,2 масс. % углерода и 0,5 масс. % хрома. Раствор хрома

в железе рассматривать как идеальный.

Учесть, что зависимость коэффициента активности углерода в стали от

состава описывается уравнением

lg γC=−0,23+0,049∙ [мол .%С ],а энергия Гиббса образования оксидов хрома и углерода, соответственно,

выражениями

∆ f G

°

Cr O=−1109 080+247,1 ∙ T , Дж;2

3

∆

°

f GCO=−110 000−90.1∙ T , Дж .

7 На основании следующих данных определить законы окисления

сплава Bi-Co, содержащего 2 ат. % Со, и рассчитать энергию активации

процесса окисления:

Т =1073 К

m/s, кг/м2

0,14

0,24

0,38

0,59

0,83

1,07

t, мин

8,6

16,1

31,4

63,0

103,7

165,4

Т =1173 К

m/s, кг/м2

0,59

1,09

1,77

2,41

3,05

3,55

t, мин

16,7

29,4

49,2

68,7

79,4

107,1

8 При изучении кинетики окисления алюминия получены следующие

данные для константы скорости реакции:

Т, К

1113

1273

1673

1773

k  108, г/см2

0,07

0,32

0,9

8,1

Определить энергию активации этого процесса.

9 Окисление сульфида молибдена проходит в диффузионном режиме в

условиях стационарной диффузии. Скорость окисления при температуре 873

К равна 168 мг/см2 мин. Оценить величину диффузионного газового слоя на

границе сульфида с воздухом (Р = 101325 Па). Зависимость коэффициента

диффузии кислорода от температуры описывается уравнением:

DO2 = 0,18 (Т/273)

1,7, см2/с.

10 При окислительном обжиге никелевого файнштейна и

флотационного концентрата могут протекать реакции

Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2,

Ni3S2 + 4NiO = 7Ni + 2SO2.

1) Рассчитать ∆G°T этих реакций при 1000 и 1500 К, используя следующие

данные:

Реакции

∆G°T , кДж

673 К

1073 К

2Cu + ½ O2 = Cu2O

-123,2

-93,74

Cu2S + 3/2 O2 = Cu2O + SO2

-324,8

-276,3

2Ni + O2 = 2NiO

-357,6

-277,3

Ni3S2 + 3,5 O2 = 3NiO + 2SO2

-268,5

-254,5

2) Рассчитать равновесные давления газообразных продуктов при 1000 К в

системах с воздушным дутьем:

Ni3S2  O2  NiO  SO2,

Ni3S2  NiO  Ni  SO2.

3) По результатам расчетов сделать выводы.

11 Для снижения содержания магния во вторичном алюминии

применяют рафинировочный флюс, содержащий фторид алюминия:

[Mg] + 2/3 (AlF3) = 2/3[Al] + (MgF2).

Определить равновесную концентрацию магния в алюминии,

учитывая, что процесс завершается при снижении термодинамической

активности

AlF3

в рафинировочном флюсе до 0,2 и повышении

термодинамической активности MgF2 до 0,1. Коэффициент активности

магния в алюминии равен 0,3; термодинамическая активность алюминия – 1

Температурная зависимость изменения энергии Гиббса образования

указанных фторидов описывается уравнениями:

∆ f G

°

MgF =−1041 780+120,32∙ T , Дж ;2

∆

°

f GAlF =−1506 300+257,64 ∙T , Дж .3

Расчеты выполнить для температуры 1 030 К.