南邮材料化学答案-第四章习题答案

第四章第四章材料化学热力学材料化学热力学 Chapter 4 Chemical Thermodynamics of Materials 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 Relationship between the standard Gibbs free energy in units of J of Cs melt and temperature T K is shown as Gom Cs 2100 6 95T please determine the melting point of Cs 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 Answer According to the laws of thermodynamics when G 0 the reaction can be spontaneous Therefore G 0 corresponding to the equilibrium reaction of Cs change from solid phase into liquid phase the temperature corresponding to the melting point of Cs From Gom Cs 2100 6 95T 0 we can get T 302K so the melting point of Cs is 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 According to the Ellingham diagram please explain why the carbon can be used as a reductant of the metal oxides at high temperature 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 According to the Ellingham diagrams the lower the site of Go T curve the bigger the negative value of Go the more stable the metal oxide So at a given temperature the element of the below Go T curve can reduce the metal oxide of the above Go T curve We can see that the slope of CO formation line is negative and with the increase of temperature Go becomes more negative indicates that CO is more stable However the slopes of metal oxides formation line are all positive with the increase of temperature Go becomes more positive indicates that metal oxide is more unstable Therefore the carbon can be used as a reductant of the metal oxides at high temperature 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 对于 如果反应的如果反应的 Go是正值 是正值 则反应不会如反应式所写的那样向右进行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 的说法 谈谈你的观点 a for any reaction please indicate the significance of G 和和 Go b For if Go of a reaction is positive the reaction will not go along as the reactive written talk about your opinion 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 K 1 表明反应进行的 程度很小 a for any reaction G change of Gibbs free energy is to describe driving force of a chemical reaction you can judge the possibility of reaction The second law of thermodynamics shows that the free energy is always reduced in any spontaneous reaction Therefore G is 0 indicates that the reaction is in equilibrium However Go stands for the standard Gibbs free energy change that is to say the material s free energy of formation in the standard state 273 15 K and 101 325KPa b As is known Go RTLnK if Go is positive LnK must be negative then K 0 S 为负 所以 CO 生成线的斜率也为负 1 For the reaction of C s O2 g CO2 g the number of gas molecules before and after the reaction is constant so the entropy change S is 0 because S stands for the slope of the formation line in this case S is 0 so the slope is 0 2 For the reaction of 2C s O2 g 2CO g the number of gas molecules increase after the 22 C s O g CO g 2 2C s O g 2CO g reaction so the entropy change S is 0 that is to say S 0 so the slope of the formation line is negative 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 In the Ellingham diagrams which elements can reduce Si from SiO2 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 Ti Al Li Ca Mg 这几种元素可以从二氧化硅中还原出硅 According to the Ellingham diagrams the corresponding element of the below Go T curve can reduce the corresponding metal oxide of the above curve As is shown the formation lines of TiO2 Al2O3 Li2O CaO MgO lie in the below of SiO2 formation line so Ti Al Li Ca Mg can reduce Si from SiO2 Additional above 1600 the formation line of CO locates below the formation line of SiO2 so C can reduce Si form SiO2 at temperature more than 1600 6 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 相律一般可表达成 为什么在固体材料的研究中 相律一般可表达成 f c p 1 Gibbs phase rule is usually expressed as f c p 2 why in the study of solid materials the phase rule be expressed as 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 In the study of solid materials pressure has little effect on the solid phase reaction usually it can be ignored so temperature is the only non composition variable so the phase rule generally be expressed as f c p 1 7 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 Composition of an alloy is 90Pb 10Sn a Which phases is contained at 100 200 300 b In which temperature range will be only one phase exists See Figure 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 a Composition of alloy is 90Pb 10Sn alloy which corresponding to the red vertical line it intersect with the temperature level line at a b and c points So there are two phases at 100 and there is only one phase at 200 point c lies on the liquidus line so there are two phases at 300 L and b Draw a perpendicular line across the ingredient line of 90Pb 10Sn alloy we can get three points d e and f then draw horizontal lines to get the corresponding temperature So when the temperature is more than 300 liquid phase L exists When the temperature is between 148 268 there is only phase 8 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 Phase diagram of solid solution alloy is shown in the figure please determine the following questions according to it a 成分为成分为 40 B 的合金首先凝固出来的固体成分是什么 的合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 合金的成分是什么 合金的成分是什么 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 此时液 体和固体各占多少分数 体和固体各占多少分数 a What is the composition of the solid first frozen from alloy contain 40 B b If the solid first frozen containing 60 B please determine composition of the alloy c What is the composition of the liquid final solidified from alloy containing 70 B d An alloy containing 50 B when it arrive at some temperature the liquid phase containing 40 B and the solid phase containing 80 B please determine the fraction of the liquid and solid 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 The composition of the solid first frozen from alloy contain 40 B correspond to the point a which containing 80 B and 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 If the solid first frozen containing 60 B we can get point b and the point b correspond to the composition of the alloy that is 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 As is known the alloy containing 70 B corresponds to point c so c corresponds to the liquid final solidified from alloy whose composition is 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 According to the level rule wL ws oa ao 30 10 3 1 so it containing 75 l iquid and 25 solid 9 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 Component A and B dissolve in the liquid status but nondissolved in the solid state and form an intermediate compound that has different crystal structure compared with A and B the following data have been obtained from thermal analysis 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 100063 1040 2090075080850640 4076575090 640 43 750100 800 50930750 a 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 分子式 原子量分子式 原子量 A 28 B 24 a Construct an equilibrium phase diagram and indicate the phase of every regions point out the composition and temperature of every special points and write the formula of intermediate compound atomic weight 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