Оценка прочности и процесс диссоциации химических соединений

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

Введение

Оценка прочности химических соединений

Задача № 1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой

Задача № 2. Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом

Библиографический список

Введение

История человеческого общества неразрывно связана с развитием металлургии. Ещё в глубокой древности человек стал применять металлы. Вначале это были самородные металлы: золото, серебро, медь и метеоритное железо. Затем были открыты способы получения металлов из руд, вначале меди и её сплавов (бронза), а затем железа. Постепенно увеличивалось число известных человеку металлов. Если к концу XVIII века было открыто и использовалось примерно 20 металлов, то к концу XIX века их число достигло 50. Особенно бурное развитие металлургии произошло в начале и середине XX века.

В настоящее время Периодическая система Д. И. Менделеева включает 106 элементов, 92 из которых являются металлами. Промышленное значение имеют 75 металлов. Ведущее место среди металлов, как по объему производства, так и по степени использования, занимают железо и его сплавы. Их доля в общемировом производстве металлов составляет 90%. Преимущественному применению в самых различных областях народного хозяйства железо и его сплавы обязаны своими ценными физическими и механическими свойствами.

Оценка прочности химических соединений

Процессы диссоциации (распада) химических соединений однотипны и могут быть в общем виде представлены в зависимости от температуры уравнениями

АВтв = Атв + Вгаз

АВтв = Аж + Вгаз

АВж = Атв + Вгаз

АВж = Аж + Вгаз

Например:

СаСО3 = СаО + СО2

6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2

2Fe3O4 = 6FeO + O2

2FeO = 2Fe + O2

FeS2 = Fe+S2 и другие.

Равновесное парциальное давление газообразного продукта таких гетерогенных реакций называется упругостью диссоциации соединения АВ и характеризует степень прочности данного соединения. Процессы диссоциации (особенно оксидов) представляют интерес для специалистов, поскольку указывают на возможность реализации прямого способа получения металлов, а характеристики этих реакций важны при анализе процессов восстановления оксидов и окисления металлов (и низших оксидов). Если металл может иметь разные валентности, то процессы диссоциации и окисления (восстановления) подчиняются принципу последовательности превращений Байкова.

Диссоциация карбонатов. Можно привести много примеров гетерогенных реакций, имеющих большое значение в металлургическом производстве: горение твердого и жидкого топлива; восстановление твердых оксидов железа газами в доменной печи; окисление углерода, растворенного в жидкой стали; реакции превращения, происходящие в твердой стали при термической обработке; диссоциация оксидов и карбонатов, высокотемпературное окисление металлов, имеющих место на всех стадиях металлургического передела, когда нагретый металл находится в контакте с атмосферой; взаимодействие жидкого металла с расплавленным шлаком. Рассмотрим кинетику гетерогенного процесса на примере диссоциации карбонатов.

Процесс диссоциации карбоната металла

MeCO3тв = MeOтв + CO2газ (1)

является гетерогенным, поскольку происходит на границе раздела между двумя твердыми фазами — исходным веществом МеCO3 и продуктом реакции MeO. Процесс диссоциации сопровождается исчезновением одной фазы и возникновением новой твердой фазы, отличающейся от первой кристаллической структурой. Такие процессы называются топохимическими. Для них весьма существенна стадия формирования новой и разрушения старой кристаллической решетки. Этот этап занимает определенное время, называемое инкубационным периодом, и реакция диссоциации идет с ничтожно малой скоростью.

Диссоциация начинается с тех анионов СО3 2-, которые имеют достаточный запас энергии, необходимый для отрыва от них анионов кислорода

32- = СО2 + О2-. (2)

Распад анионов CО32- и возникновение трехмерных зародышей оксида

Ме2+ + О2- = МеО (2)

представляют элементарный кристаллохимический акт рассматриваемой реакции. Появление зародышей новой фазы, и, следовательно, поверхности раздела между двумя твердыми фазами, а также распад анионов CО32-происходит на поверхности карбоната, а именно — в активных центрах. Активными центрами могут быть вершины кристалликов МеСО3, отдельные дефектные места на их гранях и ребрах, где частицы вещества обладают повышенным запасом энергии. Начиная с зародышей новой фазы, граница раздела твердых фаз перемещается вглубь кристаллической решетки материнской фазы — МеСО3. Следует заметить, что с увеличением степени дисперсности карбоната растет число активных центров, что при прочих равных условиях приводит к уменьшению инкубационного периода.

С момента появления зародышей новой фазы процесс диссоциации карбоната развивается на границе раздела между карбонатом и оксидом. Течение реакции на границе раздела твердых фаз облегчено, поскольку:

1) Поверхностные ионы CО32- находятся в несимметричном силовом поле, в силу чего они деформированы и легче распадаются;

2) Ионы О2- и Ме2+ на поверхности раздела достраивают решетку, что требует меньших затрат энергии, чем зарождение новой фазы в объеме МеСО3;

3) Процесс удаления молекул СО2 за счет диффузии от границы МеО-МеСО3 осуществляется быстрее, чем из объема МеСО3.

Рис. 1. Зависимость скорости (?) топохимической реакции от времени (?): I — инкубационный период (реакция идет с такой малой скоростью, что чувствительности приборов не хватает для ее фиксации); II — автокаталитический период (заметное увеличение скорости реакции вследствие роста границы раздела между твердыми фазами); III — период завершения реакции (скорость падает из-за уменьшения фронта реакции)

Увеличение межфазной границы облегчает дальнейшее течение реакции диссоциации, что ведет к росту количества распадающегося карбоната в единицу времени, т. е. скорости реакции (рис. 1, период II). Наконец, поверхность раздела твердых фаз, достигнув максимального значения, начинает убывать в силу того, что кусочки карбоната имеют конечные размеры и, следовательно, конечную величину площади поверхности (рис. 1, период III). Одновременно с уменьшением границы раздела твердых фаз падает скорость процесса. Уменьшению скорости способствует и рост толщины слоя продукта. Если его пористость невелика, то со временем процесс переходит в диффузионный режим, и лимитирующим этапом становится диффузия молекул CO2 из зоны реакции. При значительной пористости и сравнительно небольших размерах диссоциирующей фазы сохранится кинетический режим процесса (замедленность кристаллохимического превращения).

Диссоциация оксидов

Важнейшие процессы в металлургических агрегатах сводятся, как уже отмечалось, к реакциям восстановления или окисления, т. е. к различным превращениям окислов. Поэтому прочность окислов, определяемая сродством веществ к кислороду, играет первостепенную роль в термодинамике металлургических процессов.

Для выяснения общих закономерностей рассмотрим реакцию диссоциации окисла двухвалентного металла

МеО = Ме + ½О2 (4)

Равновесное парциальное давление кислорода в реакции образования или диссоциации окисла называется упругостью диссоциации окисла Ро2. При отсутствии растворов она непосредственно связана с константой равновесия и является, следовательно, функцией только температуры

(5)

Реакция окисления экзотермична, и константа равновесия убывает, а

упругость диссоциации увеличивается с температурой (рис. 2). Иными словами, с ростом температуры сродство окисляемых веществ к кислороду и прочность окислов уменьшаются.

Рис. 2. Зависимость логарифма упругости диссоциации окисла от температуры

Задача № 1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой

Рассчитайте значения равновесного давления кислорода и кислородных потенциалов в равновесной газовой смеси, образующейся при взаимодействии обогащённого кислородом воздуха (N2 — O2) с твердым углеродом для шести заданных температур.

Исходные данные для расчёта:

состав обогащенного воздуха, %

Температура, 0С

Давление, Па·10-5

N2

O2

1

2

3

4

5

6

67

33

716

766

816

866

916

966

1,7

Решение:

Для определения равновесного состава газовой смеси, находим соотношение между азотом и кислородом в обогащенном воздухе:

?=2,0303

2С + О2 = 2СО (1)

С + О2 = СО2 (2)

С +СО2 = 2СО (3)

Константа равновесия для реакции (1) равна:

Пользуясь уравнением

находим значение для шести заданных температур:

T, К

989

1039

1089

1139

1189

1239

1,51

4,139

10,342

23,848

51,259

103,579

Находим равновесный состав газовой смеси:

СО,%=, (4)

где — количество молей N2 вносимых в смесь одним молем О2;

— константа равновесия реакции (1);

Р — общее давление в газовой смеси

СО2,% = (5)

N2,%=100-(СО,%+СО2,%) (6)

(7)

(8)

(9)

Результаты расчётов сведены в таблицу 1.

Таблица 1

№№ п.п.

t,0С

Т, К

состав равновесной газовой смеси, %

относительное содержание, %

, Па

lg

,

Дж

СО

СО2

N2

СО

СО2

1

716

989

32,137

17,557

50,307

64,67

35,33

5,5·10-22

-21,26

-402 755

2

766

1039

39,825

26,965

33,209

59,623

40,372

2,32·10-20

-19,63

-390 776

3

816

1089

44,685

33,949

21,363

56,828

43,172

5,91·10-19

-18,23

-380 241

4

866

1139

47,23

37,926

14,842

55,464

44,535

1,03·10-17

-16,99

-370 647

5

916

1189

48,45

39,911

11,636

54,833

45,167

1,33·10-16

-15,87

-361 552

6

966

1229

49,028

40,868

10,101

54,54

45,46

1,38·10-15

-14,86

-352 696

По данным таблицы 1 строим график зависимости состава равновесной газовой смеси для реакции газификации углерода от температуры.

Рисунок 1 — график зависимости состава равновесной газовой смеси углерода от температуры

Вывод: Проанализировав график, сделаем вывод, что при увеличении температуры концентрация СО уменьшается.

Строим график зависимости равновесного давления кислорода в газовой смеси для реакции газификации углерода от температуры.

Рисунок 2 — график зависимости равновесного давления от температуры

Вывод: Проанализировав график, сделаем вывод, что при увеличении температуры давление над кислородом в газовой реакции газификации углерода увеличивается.

Строим график зависимости кислородного потенциала для равновесной газовой смеси СО-СО2 от температуры.

Рисунок 3 — график зависимости кислородного потенциала от температуры

Вывод: Проанализировав график, сделаем вывод, что при увеличении температуры кислородный потенциал для равновесной газовой смеси СО-СО2 увеличивается.

Задача № 2 Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом

диссоциация оксид углерод водород

Определить равновесный состав газовых реакций восстановления оксидов железа водородом при заданной температуре (Т=1150К).

Решение:

1.;

2.;

3.;

4., при Т< 843 К;

Т.к. Т=1150 К то реакция под номером 4 происходить не будет

Определим константы равновесия для каждой реакции по формуле

(1)

39 420,69

3,784

0,602

где , — константы равновесия для первой, второй и третьей реакции соответственно.

Но константа равновесия реакции находится еще и по следующей формуле:

(2)

где — давления паров воды и водорода

Общее давление равно (3)

Общее давление примем равным 1.

Подставим (3) в (2) и получим:

(4)

, (5)

где РН2 будет определять долю Н2 в реакции восстановления в процентах

Подставим вместо КР значения, полученные по формуле (1).

Равновесный состав газовых реакций восстановления оксидов железа водорода предоставлен в таблице 2

Таблица 2

Реакции

%H2

%H2O

0,2 536

99,997 464

20,903

79,097

62,422

37,578

Библиографический список

1. Рыжонков, Д. И. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов / Д. И. Рыжонков, П. П. Арсентьев, В. В. Яковлев и др. — М.: Металлургия, 1989. — 392 с.

2. Попель, С. И. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов / С. И. Попель, А. И. Сотников, В. И. Бороненков. — М.: Металлургия, 1986. — 463 с.

3. Падерин, С. Н. Теория и расчеты металлургических систем и процессов: учебное пособие для вузов / С. Н. Падерин, В. В. Филиппов. — М.: МИСИС, 2002. — 334 с.

5. Казачков, Е. А. Расчеты по теории металлургических процессов: учебное пособие для вузов / Е. А. Казачков. — М.: Металлургия, 1988. — 288 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой