冶金原理试卷与答案 (1)

一 解释下列名词

①氧势：体系中氧气的相对化学位，。

②选择性氧化：对于金属熔体，用控制温度及体系压力的方法，控制熔体中元素的氧化，达到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的，称为选择性氧化。

二 简答题(共30分)

①(6分)炉渣的熔点是如何定义的？炉渣的半球点温度是如何定义的？二者是否一致？为什么？

炉渣熔点定义：加热时固态完全转变为均匀液相的温度，也就是炉渣相图的液相线或液相面的温度。半球点温度：渣柱试样在加热过程中高度降低一半时所对应的温度，实际上此时炉渣未完全熔化，因此不等于理论上定义的炉渣熔点。

②(5分)在进行冶金中的相关反应计算时，对于金属熔体中的组元，一般采用哪种标准态？对于熔渣中的组元，一般采用哪种标准态？

在进行冶金中的相关反应计算时，对于金属熔体中的组元，一般采用服从亨利定律，重量1%浓度溶液为标准态；对于熔渣中的组元，一般采用纯物质为标准态。

③(6分)写出化学反应速率常数与温度的关系式，说明其中每个符号的意义，讨论活化能的大小对反应速率常数随温度变化的影响关系。

化学反应速率常数与温度的关系式为：

式中：—化学反应速率常数；—理想气体常数；－温度

    —活化能；—频率因子。

在频率因子一定的条件下，活化能越大，则越小。反之，活化能越小，则越大。

因为：　　　　

所以：　　　　

越大，值越大，当温度升高时，随温度升高而增大得多；越小，值越小，当温度升高时，随温度升高而增大得少。

④(8分)对于H2还原FeO的过程，采用一界面未反应核描述时，其速率的积分式为：

当过程处于动力学范围时，写出相应的速率积分式，计算反应完全所需的时间；内扩散是环节时，写出相应的速率积分式，计算反应完全所需的时间。

当过程处于动力学范围时，，速率方程为:

当时所对应的时间为反应完全所需的时间。

当内扩散是环节时，，速率方程为：

当时所对应的时间为反应完全所需的时间。

⑤(5分)硫化物在高温下的化学反应主要有哪几种类型？写出反应通式。

三 作图题

①(共10分)图1是具有一个不稳定二元化合物的三元系相图，分析其中m点在

温度降低过程中液相及固相的变化，并在图中标出结晶路线。

②(共10分)图2为CO还原铁的各级氧化物平衡曲线图。回答下列问题：

(1)(4分)写出各曲线的反应方程式；

(2)(2分)在图上各区域内标出稳定存在的固相；

(3) (4分)在图中a点体系中放入Fe，保持a点体系的温度及气相组成不变，分析体系中将有哪些反应发生？最终存在的固相物质是什么？ 

(1) 曲线1：3 Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2   ；  曲线2：Fe3O4+CO=3FeO+CO2；

    曲线3：FeO+CO=CO2+Fe   ；        曲线4：1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2。

(2) 见图。

(3)过a点作等温线，交曲线(3)于点a’，交曲线(2)于点a’’，利用等温方程分析。

对于曲线(3)：FeO+CO=Fe+CO2

      发生反应(3)的逆反应：Fe+CO2= FeO+CO，Fe被氧化为FeO。

    对于曲线(2)：Fe3O4+CO=3FeO+CO2

  反应(2)的逆反应不可能发生，FeO不会被进一步氧化为Fe3O4。

体系最终稳定存在的固相物质是FeO。

四 计算题（共42分）

1（共20分）

在下述条件：温度；熔渣成分为：，，，，，。测得与此熔渣平衡的钢液中的氧浓度为，氧在钢液中的溶解属于稀溶液。

已知：  (FeO)=[O]+Fe(l)     

(a)（5分）根据实际测定的钢液中的氧浓度，计算熔渣中FeO的活度及活度系数。

(b)（10分）利用完全离子溶液模型计算FeO的活度及活度系数，不引入离子活度系数。

(c) （5分）利用完全离子溶液模型计算FeO的活度及活度系数，引入离子活度系数：

(a) 以100g熔渣作为计算基础，各组分摩尔量的计算结果见表1。

       表1  熔渣中各组分的摩尔量

在条件下，钢液中的氧浓度。

(FeO)=[O]+Fe(l)     

(b) 根据完全离子溶液模型，熔渣中的离子有：Fe2+、Mn2+ 、Ca2+、Mg2+、O2-、SiO4-、PO43-。

1mol 二价碱性氧化物电离形成1mol阳离子和1mol O2-：

    CaO=Ca2++ O2-    FeO=Fe2++ O2-     MnO=Mn2++ O2-  MgO=Mg2++ O2-

    所以：       

     络和离子按下列反应形成：

           消耗

          消耗

所以：   

阳离子及阴离子的摩尔分数为：

(c) 引入离子活度系数，计算公式为：

2（共10分）为了净化氩气，将氩气通入600℃的盛有铜屑的不锈钢管中除去残存的氧气。

计算经过上述处理后，氩气中氧的分压。

已知：      J

解：计算600℃温度条件下体系的氧气分压值。

 当时

3（10分）在均相形核过程中，假设形成的晶核是边长为的立方体，形成单位体积晶核的吉布斯自由能为，单位表面吉布斯自由能为。计算：①临界边长；②形成临界晶核所需能量

解：形成边长为的立方体晶核时，吉布斯能变化为：

令：　　　　　

即：　　　　　

得到临界边长：　　　　

形成临界种核时所需的能量起伏为：