冶金热力学Ⅱ习题解第4章

冶金热力学（）习题（第4章）1实验研究反应05SIS2S05SISSISG的平衡数据如下T/K863881919928942952970996101510491050PSIS/PA040020729525383151586778411357831026515441017310984用作图法或统计法计算求上列温度范围内该反应的。MRH解根据化学反应的等压方程式得，即与呈线性关系，BRTPRSILNSILNPT1根据题目所给数据得如下数据表310T11591135108810781062105010311004098509524SILNP09158022940931411477176920592608343539424699依表中数据作线性回归得方程17283627LNSITP故1MRMOLJ45081H2CUO和CU2O两固相平衡时的氧压如下K/T11731223127313031350PA2P21085046132032279851068计算反应2CUO（S）CU2O（S）05O2（G）的和，写出与T的MRHRSMRG关系式。解221OORMRRMLNLNPPPRKGTSK即，或与呈线性关系，依题目数据作图如下2RMRLNLNSHPRT2OL1由直线的斜率得4RM1286943051KJOLH由直线的截距得RM132057LN8340584JOKSPY28694X320577891011127758859104T1LNPO2故3RM19280547GT3在298K下列反应CUSO4（S）H2O（G）CUSO4H2O（S）CUSO4H2O（S）2H2O（G）CUSO43H2O（S）CUSO43H2O（S）2H2O（G）CUSO452O（S）的平衡蒸气压P1107PA，P2747PA，P31040。（A）导出总压为P，H2O的蒸气压P3时，反应CUSO4（S）5H2O（G）CUSO45H2O（S）的自由能表达式；（B）若P3166PA（298K水的饱和蒸气压）时，反应的RG（C）若PP3时，反应、和都将存在与体系中，且H2O的蒸气压总压P，故反应的自由能表达式为213R45LNPR（B）当P3166PA时，反应的2113R45L0648375JMOLGT（C）当PP3时，则至少是反应达不到平衡，而且可能出现的213R45LN0PGRT结果，此时反应不能正向进行。而时，说明在此条件下，2031R40G反应恰好达到平衡。（D）平衡压强为933PA时，说明反应逆向进行，即23R3LN0PRTCUSO45H2O分解成CUSO43H2O（S）和H2O（G），而，说明反2R2LN0PGRT应正向进行，即CUSO43H2O（S）不分解，因此平衡时稳定存在的化合物应该是CUSO43H2O（S）。4利用PBO与SO2O2混合气体作用生成PBS或PBSO4，可以从含有PBO，PBS和PBSO4的矿石中除去PBO，气相中氧分压虽然能在较宽范围内变化，二氧化硫分压却不2OP2SOP会大于50662PA，计算能确保除掉PBO需要的温度。解5浮氏体（FEO）可被COCO2气体混合物在高温下还原为金属FE。求1000与FE和FEO平衡的气体混合物中CO、CO2及O2的分压。解体系中的平衡反应有（A）FEO（S）CO（G）FECO2（G）（B）CO（G）05O2（G）CO2（G）查表得C（S）O2（G）CO2（G）RM,139408GTC（S）05O2（G）CO（G）R,2765FE05O2（G）FEO（S）R,32则反应（B）反应反应，故（1）2CORM,B8401LNPGTR而反应（A）反应（B）反应，故（2）2CORM,A2806LNP由式（2）得22RM,ACOCO806EXPEXGTRTR在1000下，有（3）2168735由式（2）和式（1）得222RM,BR,AOCCO456029EXPEXPGTRTR在1000下，有（4）22O179P设体系的总压为，则（5）P22OCOP联立求解方程组（式（3）式（5）得，2CO073203891C0386P6导出用CO还原FEO（S）时CO的利用率与COCO2混合气体初始组成的关系式，并计算1000时初始混合气体中分别含5，10，20，25和30CO2时的利用率。在1000，大气压下还原反应平衡时是否会沉积出C（S）P解7把纯CU2S（S）和纯CU2O（S）放在一起，非常靠近又不相接触，然后将反应器抽空，加热至800恒温下该体系达到平衡，测得平衡总压为113724PA。问平衡气相中有些什么气体存在，它们的分压各为多少解查表得反应CU2S（S）2CU（S）05S2（G）1M,1RLN10LN3490KRTTGGPKM,R24231EX将T1073K和P113724PA代入上式得（1）423152106反应CU2O（S）2CU（S）05O2（G）2M,2RLNLN79KRTTGGPKM,R2142312EX将T1073K和P113724PA代入上式得（2）42315432078反应05S2（G）O2（G）SO2（G）3M,3RLN46KRTGRTGPKM,3R43213123EXP将T1073K和P113724PA代入上式得（3）31432134231430896反应05O2（G）SO2（G）SO3（G）4M,4RLN389560KRTGRTGPKM,4R432143214EXP将T1073K和P113724PA代入上式得（4）432434231490联立方程（1）（4），并解方程组得PA13724,0,0MOL1047593MOL,059MOL1432,87L1473L059,O8,O332223222SOSOSBO6S542PPNNN8在1000K，NISO系中可能存在下列两个反应3NIS（S）O2（G）NI3S2（S）SO2（G）NIS（S）15O2（G）NIO（S）SO2（G）已知平衡常数LGK1122305，LGK2188742，试确定在，1LG2SOP（压强单位为ATM），什么凝聚相最稳定2LG2OP解反应3NIS（S）O2（G）NI3S2（S）SO2（G）的平衡常数为，则（1）2S1P222OO1OLG305LLLPPP反应NIS（S）15O2（G）NIO（S）SO2（G）的平衡常数为251OS51O0S51OS2222/KPPPK则（2）22SLG874LGLLGK依式（1）和式（2）作出平衡图P1ATM14121086420250510152025NI3S2SNISSNIOSLGPO2LGPSO2由图可见，当，时，体系落在NIS（S）的稳定区，故1LG2SOP12LG2OP此时是NIS（S）最稳定。9在1000，101325PA下，恒压冷却气体混合物，组成为46ZN，52CO，2CO2，问在什么温度开始生成ZNO（S）若混合物组成为12ZN，24CO，24CO2和576N2，在什么温度生成ZNO（S）解体系中的平衡反应为（A）ZNO（S）CO（G）ZN（G）CO2（G）查表得C（S）O2（G）CO2（G）RM,139408GTC（S）05O2（G）CO（G）R,2765ZN05O2（G）ZNO（S）RM,348903718LNGT平衡反应（A）反应反应反应，故的反应（A）标准吉布斯变量为，R,A250L2ZNCORM,AR,ALPGRT当组成为46ZN，52CO，2CO2时，2ZNCOL354879PRT则RM,A205914380G令，解得ZNO（S）开始生成温度为127749KR,当组成为12ZN，24CO，24CO2和576N2时，2ZNCOL36715PRTT则RM,A20594618LNGT令，解得ZNO（S）开始生成温度为T124837KR,10通过适当的计算，回答下列问题（A）温度327时，在005CO，306CO2和6935气体混合物中PBOS能否稳定存在若温度600又如何（B）在2000能否在CO分压为2666PA时用CS还原AL2O3制取金属AL（C）在什么温度可使气体混合物热力学平衡时，其中CO/CO2比和H2/H2O比均等于20解（A）在该体系中可能存在的平衡是PBOSCOGCO2GPBL查教材附表可得CS05O2GCOG1M,2RMOLJ170658TGCSO2GCO2G,33940PBL05O2GPBOL1M,4ROLJ175平衡关系平衡关系平衡关系平衡关系，所以，1,4RM,2R,3RM,1RL90671TGG将T327600K代入上式计算得，M,ROJ824体系所处的实际条件是053CO12PQ，所以反应在指定条件下能正向0OLJ741M,1R,1RLNRTG进行，即PBOS不能够稳定存在于327的指定体系；若温度为600873K，1,1ROLJ9783650MOLJ4937211M,1R,1RLNQRTG所以反应在指定条件下能正向进行，即PBOS也不能够稳定存在于600的指定体系。（B）用CS还原AL2O3制取金属AL的反应为AL2O3S3CS2ALL3COG查教材附表得12ALL15O2GAL2O3S1M,1ROLJ670T2CS05O2GCOG,2M158G反应23反应2CS还原AL2O3制取金属AL的反应所以，反应AL2O3S3CS2ALL3COG的标准GIBBS自由能变化量为1M,1R,RMROLJ6540739TGG在2000下，1L53240在2000、CO分压为2666PA时，反应AL2O3S3CS2ALL3COG的GIBBS自由能变化量为PQRTLNMRR1MOLJ287345610271485413L因为，所以AL2O3S3CS2ALL3COG在指定条件下不能正向进行。0MRG（C）CO、CO2、H2和H2O同时存在于反应体系中时的平衡关系为CO2GH2GCOGH2OG查教材附表得CS05O2GCOG1M,2RMOLJ170658TGCSO2GCO2G,33940H2G05O2GH2OG1M,4ROLJ685平衡关系平衡关系平衡关系平衡关系，所以，1,4RM,3R,2RM,1RL0326TGGEQ1OH2C,1,R2LNLNPRTKP若体系达到平衡时的CO/CO2比和H2/H2O比均等于20，则意味着或，1,PK0M,1RG故可解出此时的温度为T1137K。11NISO系可有NI，NIO，NIS，NI3S2和NISO4五种固态物质存在，已知在1000K（1）05S2O2SO2LGK1150924（2）SO205O2SO3LGK202570（3）NI05O2NIOLGK376664（4）2NIS22NISLGK477691（5）3NIS2NI3S2LGK587919（6）NIOSO3NISO4LGK624660试作出1000K时NISO系的优势图。坐标范围取12至8，取20至2SOLGP2OLGP0。解由随题反应及对应数据可得反应（3）NI05O2NIO3815LGOP反应（5）2（1）3NI2SO2NI3S22O269450LL2反应（6）（2）NIOSO205O2NISO4LGLSOOP反应15（4）（1）（5）SO2NI3S23NISO20651LGLOP反应（6）（2）（3）（1）05（4）2O2NISNISO4798L反应2（5）3（3）2（1）6NIO4SO22NI3S27O2641LG4L22OP反应（4）2（3）2（1）2NIO2SO22NIS3O258L3L22SO根据反应的与关系式作出NISO系的优势图如下2OLGP2SL12将5G金属NI置于1000K含有压强为101325PA的纯SO2的容器中，容器的容积为10DM3。试确定平衡时体系中有些什么相稳定存在各相的量为多少摩尔平衡时SO2、SO3、O2和S2的分压为何值所需数据见题11。解初始SO2的量为MOL12903148500,SO0,22RTVPNNI与SO2直接发生的反应有（1）3NI2SO2GNI2S32O2G（2）NISO2GNISO2G根据题11所提供的数据可计算得到LGK11069645，LGK21120785，说明（1）024681012141618201210864202468LGPO2LGPSO2NIONINISO4NISNI2S3和（2）的反应趋势都很小，而且两者相差不大；另外，气相中可能发生的反应有（3）SO2GO2GSO3GLGK302570（4）SO2GS2GO2GLGK4150924设反应（1）、（2）、（3）和（4）的平衡反应进度分别为、和1234则可得到如下两组方程组解方程组1得，7109384731084910493解方程组2得，260,SO4320,SO4310,SO2222NNN，或MOL151MOL0315432，或L8973SOL178963S1042以上的计算结果表明，平衡时体系中稳定存在的凝聚态主要是NI和NIS，NI有00848摩尔，NIS有98844107摩尔，平衡时SO2、SO3、O2和S2的分压值分别为101325PA，14537PA，08312PA和00000213PA。13在973K，CUSO系的下列反应平衡时哪个反应是稳定平衡，为什么CU2SS2CU2OS6CUSSO2G2SOLG65P3CU2SS2CUOCUSO4S10CUS5SO2G0CU2SSCUSO4S3CUS2SO2G2SL8解在973K，本题CUSO涉及的物质有CU，CU2O，CU2S，CUSO4，CUOCUSO4，SO2，体系的自由度数FC13212，即在确定温度下，可用二维坐标系（）描述该体系的热力学平衡关系，根据教材P206的数据有2OSLGLP序号生成反应1MFOLKJ/B,973KG4314316945102904313527041432432078519432351622CUS05O2GCU2OS940CUS05O2GCUOS6902CUS05S2GCU2SS10102CUS05S2G25O2GCUOCUSO4S4830CUS05S2G2O2GCUSO4S407505S2GO2GSO2G2930本题涉及的反应的关系如下SLGLP反应（1）CU2SSCU2OS6CUSSO2G12MF2MF2MFMFSO,ROLKJ98SSCUOSCUSCUS6LG30GGPRTG压强以1ATM为单位，即取P1ATM，则，故反应（1）未达到稳定平衡；652LG2SOP同理可得反应（2）CU2SS2CUOCUSO4S10CUS5SO2G12MF4MF2MFSO,ROLKJ96SSCU3SCUSS5LG302GGPRTG则，故反应（2）未达到稳定平衡；0LG2SOP反应（3）CU2SSCUSO4S3CUS2SO2G12MF4MF2MFSO,3ROLKJ57SSCUSCUSLG2GGPRTG则，故反应（3）也未达到稳定平衡。80LG2SOP14CUSO4在密闭容器中分解成CUOCUSO4，存在下列反应2CUSO4（S）CUOCUSO4（S）SO3（G）SO3（G）SO2（G）05O2（G）（A）试证明分解达到平衡时，体系的总压P与SO2分压的关系为501251SO2S2PKPP（B）在7986，实验测得总压P90230PA，试计算平衡体系中SO2、SO3和O2的分压，已知TTKLG754687LG12解（A）平衡体系中只有SO2、SO3和O2三种气体，则（1）3SOPP又SO2和O2完全源于SO3分解，故（2）2S50反应平衡时满足（3）50SO232PK将式（2）代入式（3）得（4）501215SO50SO12233PKP将式（2）和式（4）代入式（1）得（5）501251S2SO2P（B）T7986107175K，则，1720364647LGKK将和P90230PA代入式（5），得17203564KPA1057PA,6730PA,3601542PA94SOOSO151S3222SO2PPP15混合物FE2O3S和CUOS在SO3气氛中加热至873K，目的是使CUOS转变成水溶性的CUSO4S，同时使FE2O3S不发生变化。试确定为达到上述目的在873K，值所能容许3SOP的范围。设氧化物与硫酸盐不形成固溶体。已知2CUOSSO3GCUOCUSO4STTG7029LG903128M,1RCUOCUSO4SSO3G2CUSO4SL7,2RSSOFE1GSSOFE3134232TTG19027LG10432M,3R解反应ACUOSSO3GCUSO4S7L35950,2R,1RM,RPA654EXP0LNAM,RSOSOA,R,R33RTGPRT反应BSF1GSFE313422PA47136EXP0LNM,RSOSOM,R,R33RTPRTG所以，题目所要求的压强范围是A4716PA654316若把金属CU（S）置于08P的HCL（G），02P的H2O（G）和001P的H2（G）的混合气中，在900K体系达到平衡时稳定存在的是何凝聚相物质已知反应CUCL（L）05H2（G）CU（S）HCL（G）CUCL2（S）05H2（G）CUCL（L）HCL（G）CUCL（L）H2O（G）CUO（S）HCL（G）05H2（G）在900K时，LGK10322，LGK26751，LGK36826。解在题目给定的反应条件下，对反应有K120989，而，1M,1RLNKJRTG其中，即，1HCL129850182PPJ0,1R说明反应不能正向进行，因此从反应来说，是CUCL（L）稳定；对反应有K25636376558，而J2J1K2，则，M,2RG说明反应能正向进行，因此从反应来说，也是CUCL（L）稳定；对反应有K314928107，而，3M,3RNRT其中，即，3HOCL31265020822KPPJ0M,3RG说明反应不能正向进行，因此从反应来说，还是CUCL（L）稳定；因此，体系达到平衡时稳定存在的凝聚相物质是CUCL（L）。17金属MEH2O系有关物质在25的标准生成自由能数据如下物质MEMEOH2ME22MEOH2OHOH1MFOLKJ/G055912147223892623720015730试作出该MEH2O系在25的电位PH图，图中包括ME2和的活度分别为2E1，102，104，106及，。参考态取纯固体和1MOLDM3的溶液。P22解根据已知条件可获得25下MEH2O系中可能存在反应的电位PH关系式2H2EH2G,PE005916PHAAO2G,P4H4E2H2OE1229005916PHBB1ME22EMESE1002958LGAME20762924H2EMES2H2OE2002958LGAMEO220441201182PH2ME3MEOH2S2H2EMES2H2OE3005916PH0439044HME22H2OPH410181025LGAMEO22/AME21018152HMEOH2SPH5141905LGAMEO222EO依据以上关系式可计算出不同ME2和的活度下的表达式2ME1102104106EA005916PHEB1229005916PHE107629082210881209995E2044120118PH038200118PH032290118PH028530118PHE3005916PH04390PH410181PH51419131912191119依据上表数据绘出MEH2O系在25的电位PH图如下AI关系式02468101214161820PH0051015051015BA（4）5112351025104510618根据下列数据，并参考题17的有关数据，作25下MG