Оценка прочности и процесс диссоциации химических соединений
Изучение понятия упругости диссоциации соединения - равновесного парциального давления газообразного продукта гетерогенных реакций. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой. Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом.
Рубрика | Химия |
Вид | контрольная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 13.02.2012 |
Размер файла | 355,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
Введение
Оценка прочности химических соединений
Задача №1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой
Задача №2. Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом
Библиографический список
Введение
История человеческого общества неразрывно связана с развитием металлургии. Ещё в глубокой древности человек стал применять металлы. Вначале это были самородные металлы: золото, серебро, медь и метеоритное железо. Затем были открыты способы получения металлов из руд, вначале меди и её сплавов (бронза), а затем железа. Постепенно увеличивалось число известных человеку металлов. Если к концу XVIII века было открыто и использовалось примерно 20 металлов, то к концу XIX века их число достигло 50. Особенно бурное развитие металлургии произошло в начале и середине XX века.
В настоящее время Периодическая система Д.И. Менделеева включает 106 элементов, 92 из которых являются металлами. Промышленное значение имеют 75 металлов. Ведущее место среди металлов, как по объему производства, так и по степени использования, занимают железо и его сплавы. Их доля в общемировом производстве металлов составляет 90%. Преимущественному применению в самых различных областях народного хозяйства железо и его сплавы обязаны своими ценными физическими и механическими свойствами.
Оценка прочности химических соединений
Процессы диссоциации (распада) химических соединений однотипны и могут быть в общем виде представлены в зависимости от температуры уравнениями
АВтв = Атв + Вгаз
АВтв = Аж + Вгаз
АВж = Атв + Вгаз
АВж = Аж + Вгаз
Например:
СаСО3 = СаО + СО2
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2
2Fe3O4 = 6FeO + O2
2FeO = 2Fe + O2
FeS2 = Fe+S2 и другие.
Равновесное парциальное давление газообразного продукта таких гетерогенных реакций называется упругостью диссоциации соединения АВ и характеризует степень прочности данного соединения. Процессы диссоциации (особенно оксидов) представляют интерес для специалистов, поскольку указывают на возможность реализации прямого способа получения металлов, а характеристики этих реакций важны при анализе процессов восстановления оксидов и окисления металлов (и низших оксидов). Если металл может иметь разные валентности, то процессы диссоциации и окисления (восстановления) подчиняются принципу последовательности превращений Байкова.
Диссоциация карбонатов. Можно привести много примеров гетерогенных реакций, имеющих большое значение в металлургическом производстве: горение твердого и жидкого топлива; восстановление твердых оксидов железа газами в доменной печи; окисление углерода, растворенного в жидкой стали; реакции превращения, происходящие в твердой стали при термической обработке; диссоциация оксидов и карбонатов, высокотемпературное окисление металлов, имеющих место на всех стадиях металлургического передела, когда нагретый металл находится в контакте с атмосферой; взаимодействие жидкого металла с расплавленным шлаком. Рассмотрим кинетику гетерогенного процесса на примере диссоциации карбонатов.
Процесс диссоциации карбоната металла
MeCO3тв = MeOтв + CO2газ (1)
является гетерогенным, поскольку происходит на границе раздела между двумя твердыми фазами - исходным веществом МеCO3 и продуктом реакции MeO. Процесс диссоциации сопровождается исчезновением одной фазы и возникновением новой твердой фазы, отличающейся от первой кристаллической структурой. Такие процессы называются топохимическими. Для них весьма существенна стадия формирования новой и разрушения старой кристаллической решетки. Этот этап занимает определенное время, называемое инкубационным периодом, и реакция диссоциации идет с ничтожно малой скоростью.
Диссоциация начинается с тех анионов СО3 2-, которые имеют достаточный запас энергии, необходимый для отрыва от них анионов кислорода
CО32- = СО2 + О2-. (2)
Распад анионов CО32- и возникновение трехмерных зародышей оксида
Ме2+ + О2- = МеО (2)
представляют элементарный кристаллохимический акт рассматриваемой реакции. Появление зародышей новой фазы, и, следовательно, поверхности раздела между двумя твердыми фазами, а также распад анионов CО32-происходит на поверхности карбоната, а именно - в активных центрах. Активными центрами могут быть вершины кристалликов МеСО3, отдельные дефектные места на их гранях и ребрах, где частицы вещества обладают повышенным запасом энергии. Начиная с зародышей новой фазы, граница раздела твердых фаз перемещается вглубь кристаллической решетки материнской фазы - МеСО3. Следует заметить, что с увеличением степени дисперсности карбоната растет число активных центров, что при прочих равных условиях приводит к уменьшению инкубационного периода.
С момента появления зародышей новой фазы процесс диссоциации карбоната развивается на границе раздела между карбонатом и оксидом. Течение реакции на границе раздела твердых фаз облегчено, поскольку:
1) Поверхностные ионы CО32- находятся в несимметричном силовом поле, в силу чего они деформированы и легче распадаются;
2) Ионы О2- и Ме2+ на поверхности раздела достраивают решетку, что требует меньших затрат энергии, чем зарождение новой фазы в объеме МеСО3;
3) Процесс удаления молекул СО2 за счет диффузии от границы МеО-МеСО3 осуществляется быстрее, чем из объема МеСО3.
Рис.1. Зависимость скорости (н) топохимической реакции от времени (ф): I - инкубационный период (реакция идет с такой малой скоростью, что чувствительности приборов не хватает для ее фиксации); II - автокаталитический период (заметное увеличение скорости реакции вследствие роста границы раздела между твердыми фазами); III - период завершения реакции (скорость падает из-за уменьшения фронта реакции)
Увеличение межфазной границы облегчает дальнейшее течение реакции диссоциации, что ведет к росту количества распадающегося карбоната в единицу времени, т.е. скорости реакции (рис. 1, период II). Наконец, поверхность раздела твердых фаз, достигнув максимального значения, начинает убывать в силу того, что кусочки карбоната имеют конечные размеры и, следовательно, конечную величину площади поверхности (рис. 1, период III). Одновременно с уменьшением границы раздела твердых фаз падает скорость процесса. Уменьшению скорости способствует и рост толщины слоя продукта. Если его пористость невелика, то со временем процесс переходит в диффузионный режим, и лимитирующим этапом становится диффузия молекул CO2 из зоны реакции. При значительной пористости и сравнительно небольших размерах диссоциирующей фазы сохранится кинетический режим процесса (замедленность кристаллохимического превращения).
Диссоциация оксидов
Важнейшие процессы в металлургических агрегатах сводятся, как уже отмечалось, к реакциям восстановления или окисления, т. е. к различным превращениям окислов. Поэтому прочность окислов, определяемая сродством веществ к кислороду, играет первостепенную роль в термодинамике металлургических процессов.
Для выяснения общих закономерностей рассмотрим реакцию диссоциации окисла двухвалентного металла
МеО = Ме + 1/2О2 (4)
Равновесное парциальное давление кислорода в реакции образования или диссоциации окисла называется упругостью диссоциации окисла Ро2. При отсутствии растворов она непосредственно связана с константой равновесия и является, следовательно, функцией только температуры
(5)
Реакция окисления экзотермична, и константа равновесия убывает, а
упругость диссоциации увеличивается с температурой (рис. 2). Иными словами, с ростом температуры сродство окисляемых веществ к кислороду и прочность окислов уменьшаются.
Рис.2. Зависимость логарифма упругости диссоциации окисла от температуры
Задача №1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой
Рассчитайте значения равновесного давления кислорода и кислородных потенциалов в равновесной газовой смеси, образующейся при взаимодействии обогащённого кислородом воздуха (N2 - O2) с твердым углеродом для шести заданных температур.
Исходные данные для расчёта:
состав обогащенного воздуха, % |
Температура, 0С |
Давление, Па·10-5 |
|||||||
N2 |
O2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
67 |
33 |
716 |
766 |
816 |
866 |
916 |
966 |
1,7 |
|
Решение:
Для определения равновесного состава газовой смеси, находим соотношение между азотом и кислородом в обогащенном воздухе:
г=2,0303
2С + О2 = 2СО (1)
С + О2 = СО2 (2)
С +СО2 = 2СО (3)
Константа равновесия для реакции (1) равна:
Пользуясь уравнением
находим значение для шести заданных температур:
T,К |
989 |
1039 |
1089 |
1139 |
1189 |
1239 |
|
1,51 |
4,139 |
10,342 |
23,848 |
51,259 |
103,579 |
||
Находим равновесный состав газовой смеси:
СО,%=, (4)
где - количество молей N2 вносимых в смесь одним молем О2;
- константа равновесия реакции (1);
Р - общее давление в газовой смеси
СО2,% = (5)
N2,%=100-(СО,%+СО2,%) (6)
(7)
(8)
(9)
Результаты расчётов сведены в таблицу 1.
Таблица 1
№№ п.п. |
t,0С |
Т, К |
состав равновесной газовой смеси, % |
относительное содержание, % |
,Па |
lg |
, Дж |
||||
СО |
СО2 |
N2 |
СО |
СО2 |
|||||||
1 |
716 |
989 |
32,137 |
17,557 |
50,307 |
64,67 |
35,33 |
5,5·10-22 |
-21,26 |
-402755 |
|
2 |
766 |
1039 |
39,825 |
26,965 |
33,209 |
59,623 |
40,372 |
2,32·10-20 |
-19,63 |
-390776 |
|
3 |
816 |
1089 |
44,685 |
33,949 |
21,363 |
56,828 |
43,172 |
5,91·10-19 |
-18,23 |
-380241 |
|
4 |
866 |
1139 |
47,23 |
37,926 |
14,842 |
55,464 |
44,535 |
1,03·10-17 |
-16,99 |
-370647 |
|
5 |
916 |
1189 |
48,45 |
39,911 |
11,636 |
54,833 |
45,167 |
1,33·10-16 |
-15,87 |
-361552 |
|
6 |
966 |
1229 |
49,028 |
40,868 |
10,101 |
54,54 |
45,46 |
1,38·10-15 |
-14,86 |
-352696 |
|
По данным таблицы 1 строим график зависимости состава равновесной газовой смеси для реакции газификации углерода от температуры.
Рисунок 1 - график зависимости состава равновесной газовой смеси углерода от температуры
Вывод: Проанализировав график, сделаем вывод, что при увеличении температуры концентрация СО уменьшается.
Строим график зависимости равновесного давления кислорода в газовой смеси для реакции газификации углерода от температуры.
Рисунок 2 - график зависимости равновесного давления от температуры
Вывод: Проанализировав график, сделаем вывод, что при увеличении температуры давление над кислородом в газовой реакции газификации углерода увеличивается.
Строим график зависимости кислородного потенциала для равновесной газовой смеси СО-СО2 от температуры.
Рисунок 3 - график зависимости кислородного потенциала от температуры
Вывод: Проанализировав график, сделаем вывод, что при увеличении температуры кислородный потенциал для равновесной газовой смеси СО-СО2 увеличивается.
Задача №2 Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом
диссоциация оксид углерод водород
Определить равновесный состав газовых реакций восстановления оксидов железа водородом при заданной температуре (Т=1150К).
Решение:
1. ;
2. ;
3. ;
4. , при Т<843 К;
Т.к. Т=1150 К то реакция под номером 4 происходить не будет
Определим константы равновесия для каждой реакции по формуле
(1)
39420,69
3,784
0,602
где ,, - константы равновесия для первой, второй и третьей реакции соответственно.
Но константа равновесия реакции находится еще и по следующей формуле:
(2)
где - давления паров воды и водорода
Общее давление равно (3)
Общее давление примем равным 1.
Подставим (3) в (2) и получим:
(4)
, (5)
где РН2 будет определять долю Н2 в реакции восстановления в процентах
Подставим вместо КР значения, полученные по формуле (1).
Равновесный состав газовых реакций восстановления оксидов железа водорода предоставлен в таблице 2
Таблица 2
Реакции |
%H2 |
%H2O |
|
0,002536 |
99,997464 |
||
20,903 |
79,097 |
||
62,422 |
37,578 |
||
Библиографический список
1. Рыжонков, Д.И. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов / Д.И. Рыжонков, П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев и др. - М.: Металлургия, 1989. - 392 с.
2. Попель, С.И. Теория металлургических процессов: учебное пособие для вузов / С.И. Попель, А.И. Сотников, В.И. Бороненков. - М.: Металлургия, 1986. - 463 с.
3. Падерин, С.Н. Теория и расчеты металлургических систем и процессов: учебное пособие для вузов / С.Н. Падерин, В.В. Филиппов. - М.: МИСИС, 2002. - 334 с.
5. Казачков, Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов: учебное пособие для вузов / Е.А. Казачков. - М.: Металлургия, 1988. - 288 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Составление уравнения ступенчатой диссоциации заданных веществ. Уравнения реакций кислот, оснований и амфотерных гидроксидов. Получение солей, уравнения их диссоциации. Виды концентраций вещества. Изменение энтропии при проведении химической реакции.
контрольная работа [158,6 K], добавлен 17.05.2014Получение углерода термическим разложением древесины, поглощение углем растворенных веществ и газов. Взаимодействие углекислого газа со щелочью, получение оксида углерода и изучение его свойств. Ознакомление со свойствами карбонатов и гидрокарбонатов.
лабораторная работа [1,7 M], добавлен 02.11.2009Сущность процесса, особенности и стадии оксосинтеза, его катализаторы. Различные реакции с участием оксида углерода. Уравнение гидроформилирования. Механизм гидрокарбалкоксилирования ацетилена. Процессы карбонилирования метанола до уксусной кислоты.
реферат [73,4 K], добавлен 28.01.2009Влияние температуры и избытка пара в парогазовой смеси на равновесие реакции конверсии оксида углерода водяным паром. Кинетические расчёты и теоретическая оптимизация процесса конверсии. Конструкция и расчет конвертора оксида углерода радиального типа.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 28.10.2014Составление формул соединений кальция с водородом, фтором и азотом. Определение степени окисления атома углерода и его валентности. Термохимические уравнения реакций, теплота образования. Вычисление молярной концентрации эквивалента раствора кислоты.
контрольная работа [46,9 K], добавлен 01.11.2009Многообразие соединений углерода, их распространение в природе и применение. Аллотропные модификации. Физические свойства и строение атома свободного углерода. Химические свойства углерода. Карбонаты и гидрокарбонаты. Структура алмаза и графита.
реферат [209,8 K], добавлен 23.03.2009Определение возможного направления реакции водяного газа при заданных температурах. Произведение расчета равновесного состава газа в реакциях Бела-Будуара (при различных давлениях) и восстановления оксидов железа водородом и монооксидом углерода.
контрольная работа [239,6 K], добавлен 31.05.2010Знакомство с законом Авогадро, сущность периодической системы элементов, энергетика химических реакций. Влияние различных факторов на растворимость. Понятие степени электролитической диссоциации. Гидролиз солей, амфотерность оксида и гидроксида алюминия.
шпаргалка [603,3 K], добавлен 26.07.2012Место углерода в таблице химических элементов: строение атомов, энергетические уровни, степень окисления. Химические свойства углерода. Алмаз, графит, фуллерен. Адсорбция как важное свойство углерода. Изобретение противогаза и угольных фильтров.
презентация [217,1 K], добавлен 17.03.2011Процесс устранения нежелательных компонентов в газах с использованием химических методов. Каталитические и адсорбционные методы очистки. Окисление токсичных органических соединений и оксида углерода. Термические методы обезвреживания газовых выбросов.
реферат [831,3 K], добавлен 25.02.2011