材料化学课后题答案第4章.pdf

第四章第四章 材料化学热力学材料化学热力学 1 Cs 熔体的标准吉布斯自由能 单位为熔体的标准吉布斯自由能 单位为 J 与温度 与温度 T 单位为 单位为 K 的关系为 的关系为 Gom Cs 2100 6 95T 求求 Cs 的熔点 的熔点 解 根据热力学定律 当 G 0时 反应可以自发进行 因此 G 0 时对应的平衡反应 即 Cs 由固相转变为液相的反应 的温度即为 Cs 的熔点 由 Gom Cs 2100 6 95T 0 可得 T 302K 所以 Cs 的熔点为 302K 2 通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂 通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂 3 答 根据埃灵罕姆图 Go T 曲线越在下方 氧化物的 Go负值越大 其稳定性就越高 所以在给定的温度下 位于下方的 Go T 曲线所对应的元素可使位于上方曲线的金属氧化 物还原 由埃灵罕姆图还可知 CO 生成线的斜率为负 随着温度升高 Go越负 CO 稳 定性越高 而金属氧化物的生成线的斜率都为正 随着温度升高 Go越正 氧化物稳定性 越低 所以 碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂 4 3 a 对任何反应 请说明 对任何反应 请说明 G 和和 Go为为 0 的意义 的意义 b 对于 如果反应的 对于 如果反应的 Go是正是正 值 则反应不会如反应式所写的那样向右进行 的说法 谈谈你的观点值 则反应不会如反应式所写的那样向右进行 的说法 谈谈你的观点 5 答 a 对于任何反应 G 吉布斯自由能变化 是描述一个化学反应的驱动力 即 可据此判断反应发生的可能性 根据热力学第二定律可知 在任何自发变化过程中 自由 能总是减少的 所以 G 为 0 说明反应过程处于平衡状态 而 Go为标准吉布斯自由能 变 即物质处于标准状态时 指定温度 273 15 K 和压力 101 325KPa 的生成自由能 b 已知 Go RTLnK 若 Go为正值 则 LnK 必需为负值 则 K0 S 为负 所以 CO 生 成线的斜率也为负 5 在埃灵罕姆图中 哪些元素可以从二氧化硅中还原出硅 在埃灵罕姆图中 哪些元素可以从二氧化硅中还原出硅 6 答 根据埃灵罕姆图 位于下方的 Go T 曲线所对应的元素可使位于上方曲线的金属氧 化物还原 TiO2 Al2O3 Li2O CaO MgO 的生成线均位于 SiO2生成线的下方 所以 22 C s O g CO g 2 2C s O g 2CO g Ti Al Li Ca Mg 这几种元素可以从二氧化硅中还原出硅 7 吉布斯相律通常为吉布斯相律通常为 f c p 2 为什么在固体材料的研究中为什么在固体材料的研究中 相律一般可表达成相律一般可表达成 f c p 1 答 在固体材料的研究中 压力对固相反应的影响很小 通常可以忽略 所以非成分的变量 只有温度这一项 所以相律一般可表达成 f c p 1 8 一合金之成分为一合金之成分为 90Pb 10Sn a 请问此合金在 请问此合金在 100 200 300 时含有哪几种时含有哪几种 相 相 b 在哪个温度范围内将只有一相存在 参看图 在哪个温度范围内将只有一相存在 参看图 4 9 答 a 成分为 90Pb 10Sn 的合金对应的为红色的垂直线 分别在 100 200 300 作 水平线得到交点 a b c 所以 100 时 交点 a 位于 相区 所以有 和 两相 200 时 交点 b 位于 单相区 所有只有 一相 300 时 交点 c 位于液相线上 此为两相共存线 所以有液相 L 和 两相 b 过成分为 90Pb 10Sn 的线作垂直线 可得到交点 d 和 e 然后作水平线得到相应的温 度 所以在温度大于 300 时 只有液相 L 存在 在温度为 148 268 时 只有 相存在 9 固溶体合金的相图如下图所示 试根据相图确定固溶体合金的相图如下图所示 试根据相图确定 a 成分为成分为 40 B 的合的合金首先凝固出来的固体成分是什么 金首先凝固出来的固体成分是什么 b 若首先凝固出来的固体成分含若首先凝固出来的固体成分含 60 B 合金的成分是 合金的成分是什么 什么 c 成分为成分为 70 B 的合金最后凝固的液体成分是什么 的合金最后凝固的液体成分是什么 d 合金成为为合金成为为 50 B 凝固到某温度时液相含有 凝固到某温度时液相含有 40 B 固体含有 固体含有 80 B 此时液体 此时液体 和固体各占多少分数 和固体各占多少分数 答 a 成分为 40 B 的合金对应的位置为过 a 点的垂直线 当其冷却至 a 点时 开始凝固 凝固出来的固体为固溶体 其成分为过 a 点作水平线与固相线的交点 a 所对应的成 分为 80 B 20 A b 若首先凝固出来的固体成分为 60 B 即与固相线的交点为 b 点 过 b 点作水平线得 到与液相线的交点 b b 点所对应的成分即为合金的成分 过 b 点作垂直线可得合金的成分 为 16 B 84 A c 成分为 70 B 的合金最后凝固的固体成分为与固相线的交点 c 液体成分为与液相 线的交点 c 所以 液体成分为 27 B 73 A d 合金成分为 50 B 凝固到某温度时液相含 40 B 即与液相线的交点为 a 固相含 80 即与固相线的交点为 a 过 50 B 作垂直线可得水平线 aoa 此时液体和固体的质 量比为 wL ws oa ao 30 10 3 1 所以 此时液体占 75 固体占 25 10 组元组元 A 和和 B 在液态完全互溶 但在固态互不溶解 且形成一个与在液态完全互溶 但在固态互不溶解 且形成一个与 A B 不同晶体结构不同晶体结构 的中间化合物 由热分析测得下列数据的中间化合物 由热分析测得下列数据 含 B 量 质量份 数 液相线温度 固相线温度 含 B 量 质量份 数 液相线温度 固相线温度 0 1000 63 1040 20 900 750 80 850 640 40 765 750 90 640 43 750 100 800 50 930 750 a 组成一平衡相图 并注明各区域的相 各点的成分及温度 组成一平衡相图 并注明各区域的相 各点的成分及温度 并写出中间化合物的并写出中间化合物的 分子式 原子量分子式 原子量 A 28 B 24 b 100 kg 的含的含 20 B 的合金在的合金在 800 平衡冷却到室温 最多能分离出多少纯平衡冷却到室温 最多能分离出多少纯 A 答 a 根据以上数据绘制相图如下所示 根据相图可知 中间化合物的组成为 63 Mg 37 Si 则二者的原子数之比为 Mg Si 63 24 37 28 2 1 所以 中间化合物的分子式为 Mg2Si b 100 kg 的含 20 B 的合金在 800 平衡冷却到室温 最多能分离出多少纯 A 即分离 出的纯 Si 的质量 20 B 的合金冷却至 750 以上时 为两相体系 L Si 固相为纯 Si 液相的组成为 43 Mg 57 Si 继续冷却至 750 时 开始进行三相反应 即液相 L 转变为 Si 和中间化合物 此反应一直进行到最后一滴液相消失 此时体系中只有 Si 和中间化合物 二者的质量比例 为 mSi OM mMg2Si ON 设液相的质量为 mL 固相的质量为 ms 则根据杠杆规则有 mL ON ms MO 又已知 mL ms 100 kg ON 0 23 MO 0 2 计算得 mL 46 51 kg ms 53 49 kg 已知液相中 Mg 的含量为 43 则其质量为 43 46 51 20 kg 液相中 Si 的含量为 57 则其质量为 57 46 51 26 51 kg 所以 100 kg 的含 20 B 的合金在 800 平衡冷却到室温 最多能分离出的纯 A Si 的质 量为 53 49 26 51 80 kg 附加答案 体系中实际能分离出的纯 A 的质量为 750 反应结束后 最后一滴液相