1、第五章 還原熔煉反應習題解答1測得不同溫度反應FeOCOFe(S)CO2的平衡常數(shù)值如表。請用作圖法及回歸分析法求反應的平衡常數(shù)及G的溫度關系式。反應平衡常數(shù)的測定值溫度10381092117712241303K0.3770.3570.3310.3150.297解：由等壓方程可導出反應的平衡常數(shù)與溫度的關系式：lgKP=A/T+B由各溫度測定的KP的對數(shù)值與其溫度的倒數(shù)（1/T）作圖，由直線的斜率和截距求出上式中的A和B。計算出的lgKP及1/T值如下表：溫度10381092117712241303(1/T)×1047.637.336.896.686.35lgKP-0.424-0.4

2、47-0.480-0.502-0.527以lgKP(1/T)×104作圖，如下圖，直線的斜率故得lgKP800/T+B將各溫度的lgKP值代入上式求B，取平均值B=1.034。因此，平衡常數(shù)的溫度關系式為：lgKP800/T1.034反應的標準吉布斯能變化的溫度關系式為：GRTlnKP19.147T(800/T1.034)15318+19.80T利用軟件回歸分析得到 lgKP828/T1.05 G19.147T(828/T1.05)15854+20.10T2. 利用氧勢圖回答下列問題(1)碳還原SnO2(S)、Cr2O3(S)、SiO2(S)的開始溫度；答：碳還原SnO2(S)、Cr

3、2O3(S)、SiO2(S)的開始溫度分別為650、1220、1520。(2)向焦炭吹水汽，可得到水煤氣（CO+H2），反應為H2O(g)Cgr.=H2CO，求反應進行的溫度條件；答： 650。(3)CaO分解氧分壓達到1.01325×105Pa的溫度；答：1480。(4)H2還原Fe3O4到FeO的溫度；答：710。(5)1000時Mg還原Al2O3(S)的G；答：在1000時MgO和Al2O3的GT直線間距離等于-942(-845)-97KJ/mol O2。(6)說明下列反應在下列溫度時，GT直線斜率改變的原因； 2MgO2=2 MgO 1100，2PbO2=2 PbO 1470

4、， 2CaO2=2 CaO 1480；答：MgO的GT直線在1100斜率變大是由于Mg變成蒸汽；PbO的GT直線在1470斜率變負是由于PbO氣化；CaO的GT直線在1480斜率變大是由于鈣變成氣態(tài)。(7)什么溫度反應4/3Cr(S)O22/3 Cr2O3(S)的平衡氧分壓為1019Pa；答：由于PO2PO2/ PO21024，圖中“O”點與PO2標尺上1024點連線與Cr2O3(S)的GT直線的交點溫度為900，此即為反應的PO2(平)1024的溫度。(8)求Fe分別與104、10-5、10-10Pa的O2在1000反應形成FeO的G及反應的平衡氧分壓PO2(平)；答：1000時不同氧分壓的

5、氧氣與鐵反應的G，由等溫方程得出：G=GRTlnPO2，式中PO2PO2/ PO2；由氧勢圖得出G1000370KJ/ mol O2，又PO2109的G10008.314×1273×ln109×103220 KJ/ mol O2PO21010的G1000244 KJ/ mol O2PO21015的G1000366 KJ/ mol O2故依次可得各氧分壓時的GPO2109，G370(220)150 KJ/ mol O2；PO21010，G370(244)126 KJ/ mol O2；PO21015，G370(366)4 KJ/ mol O2；由PO2標尺得到1000

6、時反應的PO21014.44×1015，所以PO2(平)4×1010Pa。(9)求反應MnO(S)CO= Mn(S)CO2在1100的平衡常數(shù)；答：氧勢圖中“C”點與MnO(S)的GT直線上1100點的連線在CO/CO2標尺上的交點為104.5，所以反應的平衡常數(shù)為104.53.2×105(10)在什么溫度下反應MnO(S)H2= Mn(S)H2O(g)的(H2/ H2O)平104/1答：“H”點與(H2/ H2O)平104/1連線與MnO(S)的GT直線的交點為1120。3利用氧勢圖求Fe2O3(S)在大氣中分解的開始溫度與沸騰溫度？解：大氣中PO20.2110

7、0.68。從氧勢圖中PO2標尺上的100.68點與“O”點的連線與Fe2O3(S)的GT直線的交點為1380，此即為Fe2O3(S)在大氣中開始分解的溫度；又從氧勢圖上，PO21100的直線與Fe2O3(S)的GT直線的交點為1460，此即為Fe2O3(S)在大氣中分解的沸騰溫度。4計算高爐中爐氣的CO2為16區(qū)域內(nèi)，總壓為126656.25Pa時石灰石分解的開始溫度與沸騰溫度？解：利用CaCO3分解的熱力學公式：lgP CaCO38908/T7.53將碳酸鈣加熱到其分解壓等于爐氣中CO2的分壓的溫度就是碳酸鈣的開始分解溫度，等于爐氣總壓的溫度就是沸騰溫度。由于故 lg0.28908/T7.5

8、3又由于P126656.25/1013251.25故 lg1.258908/T7.535把5×104kg的碳酸鈣放在體積為1.5×103m3的真空容器內(nèi)，加熱到800，問能有多少kg的碳酸鈣未能分解殘留下來？解：碳酸鈣在一定體積的真空容器內(nèi)進行分解達到平衡時，體系內(nèi)分解出的CO2氣體的P、T及mol數(shù)應服從氣體的狀態(tài)方程：PCOVnCO2RT故 nCO2PCOV /RT又由反應CaCO3CaOCO2可知，分解的CaCO3與生成的CO2有相同的mol數(shù)，故可由上式計算出未能分解的CaCO3量。由于0.169，=0.169×1.01325×1050.171&

9、#215;105Pa分解的CaCO3的質量2.86×103mol×0.1kg/mol2.86×104kg未分解的CaCO3的質量5×1042.86×1042.14×104 kg。6用空氣/水汽3(體積比)的混合氣體去燃燒固體碳。試計算總壓為1.01325×105Pa，溫度為927時煤氣的組成？提示：初始態(tài)中nO/nH=(1+2×0.21×3)/2。解：煤氣含有5個組分：CO、CO2、H2、H2O、N2，因此需要建立五個方程， (1) P=PCO+PCO2+PH2+PH2O+PN2 =1 (2). 平衡常數(shù)

10、方程：三個元素(C、H、O)構成五個物質(C、CO、CO2、H2、H2O)，故獨立反應數(shù)532。選取下兩方程CO2H2COH2O(g) CCO22CO (3) 元素原子摩爾量比恒定方程： 即 1.13 PH20.67 PH2O0.5 PCOPCO20 即 2.37 PH22.37 PH2OPN20 聯(lián)立解式得：PCO0.40 PH2O0.002 PCO20.003 PN20.428 PH20.1727將0.1mol Fe3O4和0.5mol的固體碳放入體積為3.0×10-3m3的真空反應器內(nèi)，抽去空氣后加熱到700進行還原反應：Fe3O44C3 Fe4CO。求(1) 氣相組成？(2)

11、 反應器內(nèi)總壓力？(3) 反應器內(nèi)未反應殘留總碳量？解：(1)氣相由CO、CO2組成；平衡時必然存在反應：CCO22CO反應的G172130177.46TRTlnK，所以故 ，所以而所以 又由氧的質量守恒得： 聯(lián)立方程解得 (2) ，所以，(3) 殘?zhí)剂繛椋?8向裝有FeO的反應管內(nèi)通入組成為52H2，32CO，8H2O及8CO2的還原氣體進行還原，溫度為1105K，總壓力為1.01325×105Pa，試求反應管放出的氣體成分？解：氣相由四個組分組成：CO、CO2、H2O、H2，需要建立4個方程。(1) PCO+PCO2+PH2O+PH2=1 (2) 平衡常數(shù)方程，獨立反應數(shù)642；

12、 體系中有6個物質：FeO、Fe、CO、CO2、H2O(g)、H2，故取 FeO(s)COFe(s)CO2 CO2H2H2O(g)CO (3) 元素摩爾量比恒定方程： ， 所以 聯(lián)立方程解得PCO0.256atm，PCO20.144atm，PH2O0.194atm，PH20.406atm。9利用鋁在真空下還原氧化鈣，反應為：6CaO(s)2Al(l)3Ca(g)3 CaOAl2O3(s)，G659984288.75T，1) 為使反應能在1200進行，需多高的真空度？2) 如將采用1.33Pa的真空度，求CaO為Al還原的開始溫度？3) 1.33Pa的真空度，CaO用量減少一半，還原反應為3Ca

13、O(s)2Al(l)3Ca(g)Al2O3(s)，G703207261.94T(J)，試問CaO為Al還原的開始溫度？復雜化合物形成對還原有什么作用？解：1) 還原反應的等溫方程式為故 平衡時 G0，故659984288.75T3RTlnPCaPCa1.66×103 真空度1.68×102Pa2) 真空度1.33Pa時，PCa1.33/1013251.32×105，此即視為還原鈣的分壓， 659984569.03TG0時，T開1160K3) 反應3CaO(s)2Al(l)3Ca(g)Al2O3(s)G703207261.94T真空度1.32×105 70

14、3207542.22TG0時，T開1297K即當反應形成了Al2O3與加入的多余溶劑形成復雜化合物時，還原的溫度可以下降12971160137。10SiO2被碳還原生成的硅溶解于金屬鐵液中，其濃度為20，fsi0.333，試求SiO2開始還原的溫度？解：還原反應為：SiO2(s)2CSi2CO G可如下求得SiO2(s)2CSi(l)2CO G720594370.67TSi(l)Si G13150017.24TSiO2(s)2CSi2CO G589094387.91TG589094387.91TRTln(0.333×20) 589094372.15TG0時，T開1583K11高爐內(nèi)冶

15、煉釩鈦磁鐵礦，生成成分為0.189Ti，0.165Si，0.4205V，0.30Mn，0.155P，0.0569S，4.24%C，爐渣成分為25.53TiO2，24.89SiO2，25.98CaO，7.6MgO，15.00Al2O3，0.27V2O3，試計算熔渣中TiO2為碳還原的開始溫度。，爐缸內(nèi)壓力為2.4×105Pa。解：反應(TiO2)2C石=Ti2COG684098395.58T， 0.013×0.1890.05×0.16500.0043×0.30(-0.064)×0.155(-0.11)×0.0569(-0.165)

16、15;4.24 0.704， 684098391.21TG0時，T開1748K12試求高爐內(nèi)1350時與TiC(s)及碳平衡的鐵水中鈦的溶解度。已知： TiCTiC(s)，G15363557.53T，鐵水中碳含量為4.3%，其余組分的濃度小于1，可以不考慮它們對Ti的活度影響。解：由反應TiCTiC(s) K=1/(fTi%Ti) 式中C是飽和值，以純物質為標準態(tài)，其aC=1 所以 %Ti1/(K fTi)，兩邊取對數(shù)得 0.013Ti(0.165)×4.38024/T3.00 8024/16233.711.23 %Ti0.05913向溫度為1500含碳量為5.1%(飽和)的鐵水中加入CaC2作爐外脫硫處理，試求脫硫后鐵水的最低含硫量。已知：CaC2(s)SCaS(s)2C，G352794106.7T(J)。C的標準態(tài)為石墨，S的標準態(tài)為質量1濃度溶液，由于脫硫后硫濃度低，所以lgfS關系式中項可以忽略。解：反應的平衡常數(shù)，故 1500 K=6.6×104 fS=3.72 (式中很小，可以忽略不計) 4. 化學反應2Al(l) + Fe2O3(s) = Al2O3(s) + 2Fe(l)，單位反應物的反應熱效應QI = -Hm/m1= -(