还原熔炼反应习题解答

1、第五章 还原熔炼反应习题解答1测得不同温度反应FeOCOFe(S)CO2的平衡常数值如表。请用作图法及回归分析法求反应的平衡常数及G的温度关系式。反应平衡常数的测定值温度10381092117712241303K0.3770.3570.3310.3150.297解：由等压方程可导出反应的平衡常数与温度的关系式：lgKP=A/T+B由各温度测定的KP的对数值与其温度的倒数（1/T）作图，由直线的斜率和截距求出上式中的A和B。计算出的lgKP及1/T值如下表：温度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作图，如下图，直线的斜率故得lgKP800/T+B将各温度的lgKP值代入上式求B，取平均值B=1.034。因此，平衡常数的温度关系式为：lgKP800/T1.034反应的标准吉布斯能变化的温度关系式为：GRTlnKP19.147T(800/T1.034)15318+19.80T利用软件回归分析得到 lgKP828/T1.05 G19.147T(828/T1.05)15854+20.10T2. 利用氧势图回答下列问题(1)碳还原SnO2(S)、Cr2O3(S)、SiO2(S)的开始温度；答：碳还原SnO2(S)、Cr

3、2O3(S)、SiO2(S)的开始温度分别为650、1220、1520。(2)向焦炭吹水汽，可得到水煤气（CO+H2），反应为H2O(g)Cgr.=H2CO，求反应进行的温度条件；答： 650。(3)CaO分解氧分压达到1.01325×105Pa的温度；答：1480。(4)H2还原Fe3O4到FeO的温度；答：710。(5)1000时Mg还原Al2O3(S)的G；答：在1000时MgO和Al2O3的GT直线间距离等于-942(-845)-97KJ/mol O2。(6)说明下列反应在下列温度时，GT直线斜率改变的原因； 2MgO2=2 MgO 1100，2PbO2=2 PbO 1470

4、， 2CaO2=2 CaO 1480；答：MgO的GT直线在1100斜率变大是由于Mg变成蒸汽；PbO的GT直线在1470斜率变负是由于PbO气化；CaO的GT直线在1480斜率变大是由于钙变成气态。(7)什么温度反应4/3Cr(S)O22/3 Cr2O3(S)的平衡氧分压为1019Pa；答：由于PO2PO2/ PO21024，图中“O”点与PO2标尺上1024点连线与Cr2O3(S)的GT直线的交点温度为900，此即为反应的PO2(平)1024的温度。(8)求Fe分别与104、10-5、10-10Pa的O2在1000反应形成FeO的G及反应的平衡氧分压PO2(平)；答：1000时不同氧分压的

5、氧气与铁反应的G，由等温方程得出：G=GRTlnPO2，式中PO2PO2/ PO2；由氧势图得出G1000370KJ/ mol O2，又PO2109的G10008.314×1273×ln109×103220 KJ/ mol O2PO21010的G1000244 KJ/ mol O2PO21015的G1000366 KJ/ mol O2故依次可得各氧分压时的GPO2109，G370(220)150 KJ/ mol O2；PO21010，G370(244)126 KJ/ mol O2；PO21015，G370(366)4 KJ/ mol O2；由PO2标尺得到1000

6、时反应的PO21014.44×1015，所以PO2(平)4×1010Pa。(9)求反应MnO(S)CO= Mn(S)CO2在1100的平衡常数；答：氧势图中“C”点与MnO(S)的GT直线上1100点的连线在CO/CO2标尺上的交点为104.5，所以反应的平衡常数为104.53.2×105(10)在什么温度下反应MnO(S)H2= Mn(S)H2O(g)的(H2/ H2O)平104/1答：“H”点与(H2/ H2O)平104/1连线与MnO(S)的GT直线的交点为1120。3利用氧势图求Fe2O3(S)在大气中分解的开始温度与沸腾温度？解：大气中PO20.2110

7、0.68。从氧势图中PO2标尺上的100.68点与“O”点的连线与Fe2O3(S)的GT直线的交点为1380，此即为Fe2O3(S)在大气中开始分解的温度；又从氧势图上，PO21100的直线与Fe2O3(S)的GT直线的交点为1460，此即为Fe2O3(S)在大气中分解的沸腾温度。4计算高炉中炉气的CO2为16区域内，总压为126656.25Pa时石灰石分解的开始温度与沸腾温度？解：利用CaCO3分解的热力学公式：lgP CaCO38908/T7.53将碳酸钙加热到其分解压等于炉气中CO2的分压的温度就是碳酸钙的开始分解温度，等于炉气总压的温度就是沸腾温度。由于故 lg0.28908/T7.5

8、3又由于P126656.25/1013251.25故 lg1.258908/T7.535把5×104kg的碳酸钙放在体积为1.5×103m3的真空容器内，加热到800，问能有多少kg的碳酸钙未能分解残留下来？解：碳酸钙在一定体积的真空容器内进行分解达到平衡时，体系内分解出的CO2气体的P、T及mol数应服从气体的状态方程：PCOVnCO2RT故 nCO2PCOV /RT又由反应CaCO3CaOCO2可知，分解的CaCO3与生成的CO2有相同的mol数，故可由上式计算出未能分解的CaCO3量。由于0.169，=0.169×1.01325×1050.171&

9、#215;105Pa分解的CaCO3的质量2.86×103mol×0.1kg/mol2.86×104kg未分解的CaCO3的质量5×1042.86×1042.14×104 kg。6用空气/水汽3(体积比)的混合气体去燃烧固体碳。试计算总压为1.01325×105Pa，温度为927时煤气的组成？提示：初始态中nO/nH=(1+2×0.21×3)/2。解：煤气含有5个组分：CO、CO2、H2、H2O、N2，因此需要建立五个方程， (1) P=PCO+PCO2+PH2+PH2O+PN2 =1 (2). 平衡常数

10、方程：三个元素(C、H、O)构成五个物质(C、CO、CO2、H2、H2O)，故独立反应数532。选取下两方程CO2H2COH2O(g) CCO22CO (3) 元素原子摩尔量比恒定方程： 即 1.13 PH20.67 PH2O0.5 PCOPCO20 即 2.37 PH22.37 PH2OPN20 联立解式得：PCO0.40 PH2O0.002 PCO20.003 PN20.428 PH20.1727将0.1mol Fe3O4和0.5mol的固体碳放入体积为3.0×10-3m3的真空反应器内，抽去空气后加热到700进行还原反应：Fe3O44C3 Fe4CO。求(1) 气相组成？(2)

11、 反应器内总压力？(3) 反应器内未反应残留总碳量？解：(1)气相由CO、CO2组成；平衡时必然存在反应：CCO22CO反应的G172130177.46TRTlnK，所以故 ，所以而所以 又由氧的质量守恒得： 联立方程解得 (2) ，所以，(3) 残碳量为： 8向装有FeO的反应管内通入组成为52H2，32CO，8H2O及8CO2的还原气体进行还原，温度为1105K，总压力为1.01325×105Pa，试求反应管放出的气体成分？解：气相由四个组分组成：CO、CO2、H2O、H2，需要建立4个方程。(1) PCO+PCO2+PH2O+PH2=1 (2) 平衡常数方程，独立反应数642；

12、 体系中有6个物质：FeO、Fe、CO、CO2、H2O(g)、H2，故取 FeO(s)COFe(s)CO2 CO2H2H2O(g)CO (3) 元素摩尔量比恒定方程： ， 所以 联立方程解得PCO0.256atm，PCO20.144atm，PH2O0.194atm，PH20.406atm。9利用铝在真空下还原氧化钙，反应为：6CaO(s)2Al(l)3Ca(g)3 CaOAl2O3(s)，G659984288.75T，1) 为使反应能在1200进行，需多高的真空度？2) 如将采用1.33Pa的真空度，求CaO为Al还原的开始温度？3) 1.33Pa的真空度，CaO用量减少一半，还原反应为3Ca

13、O(s)2Al(l)3Ca(g)Al2O3(s)，G703207261.94T(J)，试问CaO为Al还原的开始温度？复杂化合物形成对还原有什么作用？解：1) 还原反应的等温方程式为故 平衡时 G0，故659984288.75T3RTlnPCaPCa1.66×103 真空度1.68×102Pa2) 真空度1.33Pa时，PCa1.33/1013251.32×105，此即视为还原钙的分压， 659984569.03TG0时，T开1160K3) 反应3CaO(s)2Al(l)3Ca(g)Al2O3(s)G703207261.94T真空度1.32×105 70

14、3207542.22TG0时，T开1297K即当反应形成了Al2O3与加入的多余溶剂形成复杂化合物时，还原的温度可以下降12971160137。10SiO2被碳还原生成的硅溶解于金属铁液中，其浓度为20，fsi0.333，试求SiO2开始还原的温度？解：还原反应为：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时，T开1583K11高炉内冶

15、炼钒钛磁铁矿，生成成分为0.189Ti，0.165Si，0.4205V，0.30Mn，0.155P，0.0569S，4.24%C，炉渣成分为25.53TiO2，24.89SiO2，25.98CaO，7.6MgO，15.00Al2O3，0.27V2O3，试计算熔渣中TiO2为碳还原的开始温度。，炉缸内压力为2.4×105Pa。解：反应(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时，T开1748K12试求高炉内1350时与TiC(s)及碳平衡的铁水中钛的溶解度。已知： TiCTiC(s)，G15363557.53T，铁水中碳含量为4.3%，其余组分的浓度小于1，可以不考虑它们对Ti的活度影响。解：由反应TiCTiC(s) K=1/(fTi%Ti) 式中C是饱和值，以纯物质为标准态，其aC=1 所以 %Ti1/(K fTi)，两边取对数得 0.013Ti(0.165)×4.38024/T3.00 8024/16233.711.23 %Ti0.05913向温度为1500含碳量为5.1%(饱和)的铁水中加入CaC2作炉外脱硫处理，试求脱硫后铁水的最低含硫量。已知：CaC2(s)SCaS(s)2C，G352794106.7T(J)。C的标准态为石墨，S的标准态为质量1浓度溶液，由于脱硫后硫浓度低，所以lgfS关系式中项可以忽略。解：反应的平衡常数，故 1500 K=6.6×104 fS=3.72 (式中很小，可以忽略不计) 4. 化学反应2Al(l) + Fe2O3(s) = Al2O3(s) + 2Fe(l)，单位反应物的反应热效应QI = -Hm/m1= -(