北京科技大學(xué)冶金物理化學(xué)2008-2009學(xué)年期末試題(A)試題and答案

試卷第1頁共8頁北京科技大學(xué)2008--2009學(xué)年第一學(xué)期冶金物理化學(xué)試卷（A）院(系)冶金與生態(tài)工程學(xué)院班級學(xué)號姓名試卷卷面成績占課程考核成績%平時成績占%課程考核成績題號一二三四五六七八九十小計得分裝訂線內(nèi)不得答題裝訂線內(nèi)不得答題自覺遵守考試規(guī)則，誠信考試，絕不作弊得分一、簡答（1-6題每小題5分，7-9題每小題8分，共54分）1.試用熱力學(xué)原理說明在氧勢圖上為什么位置低的金屬元素可以還原位置高的氧化物？解：M和N為兩種金屬單質(zhì)。(2x/y)M+O2=(2/y)MxOy,ΔG0M(1)氧勢圖上(2x/y)N+O2=(2/y)NxOy,ΔG0N(2)氧勢圖上位置低據(jù)題意：ΔG0N＜ΔG0(1)-(2)得(2x/y)M+(2/y)NxOy=(2/y)MxOy+(2x/y)N,ΔG03(3)ΔG03=ΔG0M-ΔG0N＞0,所以熱力學(xué)上，反應(yīng)（3）不能向右進行，即在氧勢圖上位置高的金屬元素不能還原位置低的氧化物2.試推導(dǎo)1%標準態(tài)的活度與純物質(zhì)標準態(tài)活度的關(guān)系。解：純物質(zhì)標準態(tài)活度aR,i=Pi/P0,質(zhì)量1%標準態(tài)的活度a%,i=Pi/k%,i,aR,i／a%,i=k%,i/P0=(k%,i/kH,i)(kH,i/P0)=X0iγ0i3.簡述分子理論的假設(shè)條件。解：熔渣的分子理論假設(shè)條件：（1）熔渣是由各種電中性的簡單氧化物分子（FeO﹑CaO﹑MgO﹑Al2O3﹑SiO2﹑P2O5）以及復(fù)雜氧化物分子（CaO·SiO2﹑2FeO·SiO2﹑CaO·P2O5）等組成的理想溶液。（2）簡單氧化物分子與復(fù)雜氧化物分子在高溫時存在化學(xué)反應(yīng)平衡，平衡時簡單氧化物分子摩爾分數(shù)就是該氧化物的活度。4.試寫出正規(guī)溶液定義。解：正規(guī)溶液定義：過?；旌蠠岵粸榱悖éixHmE≠0），過?；旌响貫榱愕娜芤?ΔmixSmE＝0）叫做正規(guī)溶液。5.試寫出硫容量的一種表達式。解：當氣相分壓小于0.1Pa時，硫以硫化物的形式存在。硫化物容量表示為：當體系的氣相分壓大于0.1Pa時，渣中硫以硫酸鹽形式存在，定義硫酸鹽的容量為：6.簡述有效邊界層的定義。答：當流體速度為ub的粘性流體繞固體表面流動時，由于表面的摩擦作用在固體表面附近會形成具有很大速度梯度的區(qū)域。在固體表面上流體速度ux為零，而在距固體表面一小距離處，流體速度就等于99%的流體本體速度ub。這個區(qū)域叫速度邊界層，距固體表面這一距離稱為速度邊界層厚度δu。當含某一組元A濃度為Cb的流體繞固體表面流動時，如果由于流體與固體表面含組元A的濃度不同，則會在固體垂直方向建立起濃度梯度。在固體表面上組元A的濃度為Cs，而在距固體表面一小距離處，組元A的濃度就降到99%的流體本體濃度Cb。這個區(qū)域叫濃度邊界層，距固體表面這一距離稱為濃度邊界層厚度δc。為了數(shù)學(xué)上的處理方便，將分子擴散（D）和湍流傳質(zhì)（ED）折算成穩(wěn)態(tài)的分子擴散，為此由濃度為Cs的固體表面點作濃度曲線的切線，使之與本體濃度Cb的延長線相交于一點，過這點作一平行于固體表面的平面，該平面與固體表面之間的區(qū)域稱為有效邊界層，其厚度用δc′表示。7.對于諸如“碳氧生成CO的反應(yīng)”，熱力學(xué)計算表明該反應(yīng)可以發(fā)生，為什么在單一的鐵液中很難發(fā)生？解：因為鋼液與CO氣泡之間的表面張力σ存在，導(dǎo)致了剛形成的CO小氣泡受到一個附加壓力P附=2σ/R。R為CO小氣泡的曲率半徑。由于鐵液中碳氧反應(yīng)[C]+[O]=CO產(chǎn)生的CO壓力遠小于CO小氣泡受到的附加壓力P附,因此碳氧生成CO的反應(yīng)在單一的鐵液中很難發(fā)生。8.試寫出非均相生核活性孔隙半徑的的最大值的表達式，討論其與鋼液深度的關(guān)系，通過這個問題的討論你對煉鋼爐型的設(shè)計有什么啟發(fā)？解：如果CO氣泡能在活性孔隙內(nèi)生成，則活性孔隙內(nèi)CO氣體所受附加壓力P附(指向上方)應(yīng)大于等于活性孔隙內(nèi)CO氣體所受鋼液靜壓強P靜（指向下方）。P附=-，r為活性孔隙半徑，θ為接觸角。P靜=ρgh,ρ為鋼液密度，h為鋼液深度。P附P靜，r，活性孔隙半徑的的最大值rmax=討論:鋼液深度h越大，活性孔隙半徑的的最大值rmax越小。實踐上，很小的活性孔隙半徑很難做成，因此鋼液深度h不能太大，煉鋼爐應(yīng)做成比表面積大的，深度淺的爐子。9.對于氣/固反應(yīng)A(g)+bB(s)=gG(g)+sS(s)若B是球形，試寫出其反應(yīng)機理及每一步的擴散流密度（傳質(zhì)通量）。解：反應(yīng)機理：氣體反應(yīng)物A(g)通過氣相邊界層向固體生成物S(s)表面擴散，稱為外擴散。氣體反應(yīng)物A(g)通過固體生成物S(s)層向化學(xué)反應(yīng)界面擴散，稱為內(nèi)擴散。氣體反應(yīng)物A(g)在反應(yīng)界面上同固體反應(yīng)物B(s)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體生成物G(g)和固體生成物S(s)，稱為界面化學(xué)反應(yīng)。氣體生成物G(g)通過固體生成物S(s)層向固體生成物S(s)表面擴散，稱為內(nèi)擴散。氣體生成物G(g)通過氣相邊界層向氣相擴散，稱為外擴散。得分二、熱力學(xué)部分計算與論述題（共25分）1．（15分）高爐渣中（SiO2）與生鐵中的[Si]可發(fā)生下述反應(yīng)（SiO2）+[Si]=2SiO(g)問：1800K上述反應(yīng)達到平衡時，SiO的分壓可達多少Pa?已知渣中（SiO2）活度為0.09。生鐵中w[C]=4.1%，w[Si]=0.9%， =0.109，=0.18， Si(l)+SiO2(s)=2SiO(g) rG=（633000－299.8T）J Si(l)=[Si] solG=（－131500－17.24T）Jmol-1解：1)Si(l)+SiO2(s)=2SiO(g)ΔrG0=633000-299.8TSi(l)=[Si](l)（鐵液中雜質(zhì)通常以w[i]%=1為標準態(tài)）μ0R,Si(l)μ0%,Si(l)ΔsolG0=μ0%,Si(l)-μ0R,Si(l)=-131500-17.24TSiO2(s)=(SiO2)(s)（渣中通常以純物質(zhì)為標準態(tài)）μ0R,SiO2(s)μ0R,SiO2(s)ΔsolG=μ0R,SiO2(s)-μ0R,SiO2(s)=04)(SiO2)(s)+[Si](l)=2SiO(g)4)=1)-2)-3）ΔrG0（4）=（633000-299.8T）-（-131500-17.24T）=764500-282.56T=764500-（282.56*1800）=255892ΔrG0（4）=-RTlnK=-8.314*1800lnK=-14965.2lnKlnK=-17.1,K=3.746X10-8(SiO2)(s)+[Si](l)=2SiO(g)K=(PSiO(g)/P0)2/αSiO2α%,Si(l)αSiO2=0.09α%,Si(l)=w[Si]%f%,Sif%,Si=fSiSifSiC,lgf%,Si=lgfSiSi+lgfSiC=eSiSi[Si]%+eSiC[C]%=0.109*0.9+0.18*4.1=0.8361,f%,Si=6.856α%,Si(l)=w[Si]%f%,Si=0.9*6.856=6.171(PSiO(g)/P0)2=KαSiO2α%,Si(l)=3.746X10-8X0.09X6.171=2.08X10-8PSiO(g)/P0=1.44X10-4PSiO(g)=1.44X10-4X101325=14.6Pa2．（15分）對于如下三元系相圖，成分為x點的液相，用相圖的相關(guān)原理分析其冷卻過程，并劃出冷卻曲線。解：（1）冷卻到液相面時（成分為x點），剛析出固相A。此時固相成分點為A點，液相成分點(液相點)為x點，相數(shù)Ф=2，組分數(shù)C=3，自由度f=C-Ф+1=2。（2）隨著A的析出，液相點沿Ax延長線由x向m變化，固相點乃為A點。相數(shù)Ф=2，組分數(shù)C=3，自由度f=2。根據(jù)杠桿規(guī)則，固液質(zhì)量之比Ws/WL=xk/Ax,k為xm之間點。（3）當液相點到達m,有固相C析出。由于此相變放熱，溫度下降變緩。相數(shù)Ф=3，組分數(shù)C=3，自由度f=C-Ф+1=1。根據(jù)杠桿規(guī)則，固液質(zhì)量之比Ws/WL=xm/Ax。（4）隨著C的析出，固相點沿An延長線由A向n變化，相應(yīng)地液相點沿mE延長線由m向E變化。相數(shù)Ф=3，組分數(shù)C=3，自由度f=1。（5）當固相點剛變到n，相應(yīng)地液相點變到E。此時剛析出固相B，根據(jù)杠桿規(guī)則，此時固液質(zhì)量之比Ws/WL=xn/Ex。相數(shù)Ф=4，組分數(shù)C=3，自由度f=0。（6）繼續(xù)冷卻，由于自由度f=0，體系溫度不變。這樣的溫度一直保持到液相完全消失為止，此時液相點不存在，固相點為x點，相數(shù)Ф=3，組分數(shù)C=3，自由度f=1。冷卻曲線得分三、動力學(xué)部分計算題（共16分）一個30噸電爐,鋼水深度50cm,1600C時鋼-渣界面上與鋼渣相平衡鋼水中金屬錳含量為0.03%(質(zhì)量分數(shù)),氧化期加礦石沸騰時錳氧化屬于鋼液邊界層內(nèi)傳質(zhì)控速。已知鋼液原始[Mn]為0.3%(質(zhì)量分數(shù)),經(jīng)過30分鐘鋼液中錳含量降至0.06%(質(zhì)量分數(shù))，鋼-渣界面積等于鋼液靜止時的2倍。（1）寫出錳氧化的反應(yīng)步驟；（2）求Mn在鋼液邊界層中的傳質(zhì)系數(shù)。解：（1）金屬M氧化的反應(yīng)步驟如下：（1）鋼中錳原子向鋼渣界面遷移（2）渣中Fe2+向向鋼渣界面遷移（3）鋼渣界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[Mn]+（Fe2+）=（Mn2+）+[Fe]（4）生成的Mn2+從界面向渣中遷移（5）生成的鐵原子從界面向鋼液中遷移（2）屬于流動體系中同一相內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)擴散問題，可用邊界層理論解決。[Mn]+（O）=（MnO）t/s01800C=[Mn]0.3%0.06%靜止時，設(shè)鋼水鋼渣界面積為S，鋼水深度為H=50cm=0.5m沸騰時，鋼水鋼渣界面積為S’=2S，鋼水深度為h=25cm=0.25m（1）