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冶金物理化学学习指导及习题解答1．冶金热力学辅导热力学内容下四个部分1）冶金热力学基础2）冶金熔体（铁溶液、渣溶液）3）热力学状态图（Ellingham图，相图）注：把各个知识点划分成三个等级；最重要的等级―――“重点掌握”第二等级―――“掌握”，第三等级―――“了解”，这便于学习者在自学或复习内容时参考。
也便于在学习时能抓住重点，更快更好地掌握冶金物理化学这门重要基础学科。
1．1 冶金热力学基础共7个知识点1） 重点掌握体系中组元i 的自由能表述方法；（包括理想气体、液体、固体）理想气体的吉布斯自由能封闭的多元理想气体组成的气相体系中，任一组元i 的吉布斯自由能为ln i i i G G RT P ∅=+i P '－i 组分气体的实际压强，Pa ；P ∅－标准压强，Pa ，也即Pa 51001325.1⨯。
应该注意的是，高温冶金过程中的气体由于压强比较低，都可以近似看作理想气体。
液相体系中组元i 的吉布斯自由能在多元液相体系中，任一组元i 的吉布斯自由能为 ln i i i G G RT a ∅=+其中，i a ----组元的活度，其标准态的一般确定原则是：若i 在铁液中，选1%溶液为标准态，其中的浓度为质量百分数，[%i]； 若i 在熔渣中，选纯物质为标准态，其中的浓度为摩尔分数，i X ；若i 是铁溶液中的组元铁，在其他组元浓度很小时，组元铁的活度定义为1。
固相体系中组元i 的吉布斯自由能在多元固相体系中，其中任一组元i 的吉布斯自由能为 ln i i i G G RT a ∅=+i a 确定原则是：若体系是固溶体，则i 在固溶体中的活度选纯物质为标准态，其浓度为摩尔分数，i X ； 若体系是共晶体，则i 在共晶体中的活度定义为1； 若体系是纯固体i ，则其活度定义为1。
2）重点掌握化学反应等温方程式ln G G RT Q ∅∆=∆+G ∆有三种情况 1）0>∆G ，以上反应不可以自动进行；2） 0<∆G ，以上反应可以自动进行； 3） 0=∆G ，以上反应达到平衡，此时G RTLnK ∅∅∆=-注：（1）G ∆是反应产物与反应物的自由能的差，表示反应的方向（反应能否发生的判据）；表示任意时刻(不平衡状态)的压强商或活度商。
冶金物理化学答案一、解释下列概念（每题5分，共20分）1.扩散脱氧：在炼钢过程中，根据分布规律，钢液中的[O]扩散到渣中，与加入渣相的脱氧元素发生的脱氧反应称为扩散脱氧。
2、炉渣：炉渣是火法冶金中以氧化物为主要成分形成的多组分熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体以外的另一产物。
3.硫容量：炉渣含有或溶解硫的容量，即CS？（%s）？（po2/ps2）1/24、偏摩尔量：在恒温、恒压及其他组分的物质的量保持不变的条件下，溶液的广度性质x（x代表u、h、v、s、g）对其组分摩尔量的偏微商值。
二、简短回答问题（共60分）1、简述热力学计算中活度标准态之间的转换关系。
答：（1）纯物质标准态活度与假想纯物质标准态活度的换算：ab[r]ab[h]?pb/pbpb/kh(x)*?kh(x)p*b?rb0故ab[r]?rbab[h]0（2）纯物质的标准态活度与1%质量溶液的标准态活度之间的换算：ab[r]ab[%]?pb/pbpb/kh(%)*?kh(%)pb*?mab100m?kh(x)pb*?mab100m?rb0（3）假设纯物质的标准态活度与1%质量溶液的标准态活度之间的换算：ab[h]ab[%]?pb/kh(x)pb/kh(%)?kh(%)kh(x)?mab100m2.简述了炉渣氧化脱磷的热力学条件。
答：根据炉渣的脱磷反应：lp?(%p2o5)[%p]2?kp(to)(êo)f542p?feo??cao?cap2o954根据上述公式，为了使脱磷反应完全，必要的热力学条件是：（1）炉渣碱度高；（2）氧化铁含量高；（3）较低的浴温；大渣量。
3.一氧化碳还原氧化铁的顺序是什么？写出反应方程式（天平）。
答：氧化铁被co还原在570℃以上及其下有不同的转变顺序，因此氧化铁还原是逐级的，反应如下：T570co3fe2o3（s）？有限公司？2fe3o4（s）？cofe3o4（s）？有限公司？3feo （s）？科菲欧（s）？有限公司？fe（s）？co2222t?570co3fe2o3(s)?co?2fe3o4(s)?co14fe3o5(s)?co?34fe(s)?co24.正常溶液的定义和热力学特征。
冶金物理化学学习指导及习题解答1．冶金热力学辅导热力学内容下四个部分1）冶金热力学基础2）冶金熔体（铁溶液、渣溶液）3）热力学状态图（Ellingham图，相图）注：把各个知识点划分成三个等级；最重要的等级―――“重点掌握”第二等级―――“掌握”，第三等级―――“了解”，这便于学习者在自学或复习内容时参考。
也便于在学习时能抓住重点，更快更好地掌握冶金物理化学这门重要基础学科。
1．1 冶金热力学基础共7个知识点1） 重点掌握体系中组元i 的自由能表述方法；（包括理想气体、液体、固体）理想气体的吉布斯自由能封闭的多元理想气体组成的气相体系中，任一组元i 的吉布斯自由能为ln i i i G G RT P ∅=+i i P P P ∅'=i P '－i 组分气体的实际压强，Pa ；P ∅－标准压强，Pa ，也即Pa 51001325.1⨯。
应该注意的是，高温冶金过程中的气体由于压强比较低，都可以近似看作理想气体。
液相体系中组元i 的吉布斯自由能在多元液相体系中，任一组元i 的吉布斯自由能为 ln i i i G G RT a ∅=+其中，i a ----组元的活度，其标准态的一般确定原则是：若i 在铁液中，选1%溶液为标准态，其中的浓度为质量百分数，[%i]； 若i 在熔渣中，选纯物质为标准态，其中的浓度为摩尔分数，i X ；若i 是铁溶液中的组元铁，在其他组元浓度很小时，组元铁的活度定义为1。
固相体系中组元i 的吉布斯自由能在多元固相体系中，其中任一组元i 的吉布斯自由能为 ln i i i G G RT a ∅=+i a 确定原则是：若体系是固溶体，则i 在固溶体中的活度选纯物质为标准态，其浓度为摩尔分数，i X ； 若体系是共晶体，则i 在共晶体中的活度定义为1； 若体系是纯固体i ，则其活度定义为1。
2）重点掌握化学反应等温方程式ln G G RT Q ∅∆=∆+G ∆有三种情况 1）0>∆G ，以上反应不可以自动进行；2） 0<∆G ，以上反应可以自动进行； 3） 0=∆G ，以上反应达到平衡，此时G RTLnK ∅∅∆=-注：（1）G ∆是反应产物与反应物的自由能的差，表示反应的方向（反应能否发生的判据）；c dC D a bA Ba aQ a a = 表示任意时刻(不平衡状态)的压强商或活度商。
北京科技大学 2006—2007学年 第一学期冶金物理化学标准答案一、简答 （每小题5分，共50分）1. 试用相图的基本规则说明以下相图的错误所在？答：违背了相图的构筑规则“在二元系中，单相区与两相区邻接的界线延长线必须进入两相区，不能进入单相区”2. 在Ellingham 图上，为什么形成CO 的曲线的斜率为负值，而一般的斜率为正值？ 答：CO O C 222=+ΘΘΘΘ−−=ΔC O CO S S S S 2202f ΘΘ−≈S S CO 0p ΘΔ−∴S ；∴ΘΔG ~T 曲线的斜率小于零。
同理可以证明一般反应的~T 曲线的斜率大于零。
ΘΔG 3. 简述分子理论的假设条件。
答：1）熔渣是由各种电中性的简单氧化物分子、CaO 、MgO 、、、及它们之间形成的复杂氧化物分子FeO 32O Al 2SiO 52O P 2SiO CaO •、22SiO CaO •、、等组成的理想溶液。
22SiO FeO •52O P CaO •2）简单氧化物分子于复杂氧化物分子之间存在着化学平衡，平衡时的简单氧化物的摩尔分数叫该氧化物的活度。
以简单氧化物存在的氧化物叫自由氧化物；以复杂氧化物存在的氧化物叫结合氧化物。
如：（）=2（）+（） 22SiO CaO •CaO 2SiO 2222SiO CaO SiO CaO D x x x K •=由K D 计算的x CaO 及x SiO2叫及的活度。
CaO 2SiO 4. 试解释正规溶液定义。
答：过剩混合热（其实为混合热）不为零，混合熵与理想溶液的混合熵相同的溶液叫正规溶液。
5. 试从热力学原理说明熔渣的氧化还原性？ 答：定义∑FeO 0表示渣的氧化性。
决定炉渣向钢液传氧的反应是（）=FeO [][]Fe O +[]FeOa O K00=Θ或[]FeOa O L 000=令[]FeOa O L00'0=----代表实际熔渣中的值。
当时，'oL f 0L f 0'0'00ln ln ln L L RT L RT L RT G =+−=Δ0，反应逆向进行，钢液中的氧向熔渣传递；当时，='oL p 0L G Δ0'0ln L L RT 0p ，反应正向进行，熔渣中的氧向钢液传递。
习题11.计算浓度为1.0×10-6M的醋酸溶液的平衡pH,醋酸的电离常数: Ka=1.8×10-5.(HAC=H++AC-)2.在同一张图上, 画出一个多元体系平衡pH图,该平衡pH是各物种总浓度对数的函数.（列出物质）3.考察Na2CO3-H2O体系,计算所有物种的平衡浓度,平衡浓度是Na2CO3总浓度的函数.参考: F. S. Nakayama, Hydrolysis of sodium Carbonate, J.Chem. Educ., 47,67,(1970)4.修改程序1-6,使之能用于求解酸, 碱混合体系的平衡问题,例如一个溶液中HCl的浓度是aM,NH3的浓度是bM,三乙醇胺的浓度是cM.参考:M .J. D. Brand, A general method for the solution of polynomial equations in H+ion concentration, J. Chem. Educ. 53,771(1976)5.讨论溶液平衡MX(s)=M z++X z-Ksp=a Mz+.a Xz-试证明25℃时,在C摩尔1:1电解质溶液中,盐MX的溶解度是方程:F(S)=2logS-1.018Z2Z2S+C -logKsp的一个根,假定满足Debye-Huckel 极限定理,选择一系列难溶盐,画出溶解度-离子强度图.（X）6.编写一个程序, 求解在含有HCl的溶液中, CuCl溶解度的最小值.(CuCl=Cu+ClK=[Cu+]*[Cl-]=1.628*10-7[Cl]T=[Cl]cu+[Cl]h S=[Cu+]*(37.5+64)/10 [Cl-]T=0.1+[Cl-]=0.1+[Cu+] [Cu+](0.1+[Cu+])=1.628E-7X(0.1+x)=1.628e-7F(x)=x2+0.1x-1.628e-7牛顿法7.编写一个程序,用自由能极小值方法求解平衡问题.参考: S. Davidson, Iterative method of solving equilibrium problem by free-energy minimization. J. Chem. Educ. 50,299(1973)8.化学反应的平衡浓度一氧化碳与氢按以下反应生成甲醇CO+2H2=CH3OH现有1mol CO与2mol H2的混合物, 在t=590℃, P=3.04×107Pa下进行反应并达到平衡,(K f=1.393×10-15 （正反应速率常数）,K r=0.43（逆反应）), 求CH3OH在平衡气相中的摩尔分数.C1=K f*Pco*P2H2 正反应速率C2=Kr*P CH3OH 逆反应速率K=P CH3OH/( Pco*P2H2 )=Kf/KrPV=nRT9.配合平衡计算将0.1mol/L Cu(NH3)42+溶于0.1mol/L氨水中, 试问所得溶液中Cu2+的离子浓度为多少,设Cu(NH3)42+的不稳定常数（电离常数）为4.6×10-14. 例题4K=[Cu][NH]/[CuNH]10.求1mol/L[Ni(NH3)6](NO3)2溶液中Ni2+的浓度,已知配合反应Ni(NH3)2+6=Ni2++6NH3的不稳定常数为K d=5.7×10-9.Kd=[Ni][NH]6/ [Ni(NH)] NH=1-Ni(NH)=NiNi+Ni(NH)=1F(Ni)=6^6*[Ni]^7+Kd*[Ni]-kdF’(x)=7*6*x^6+kd11.求0.2mol/L HF溶液的pH值. 已知HF的离解常数K=7.2×10-4.例题5 H+包括水中的12.推导浓度为C的一元弱酸水溶液中氢离子浓度的表达式.(①考虑水的离解,②不考虑水的离解)并分别计算苯酚(K=1.004×10-10)和硝基苯(K=7.096×10-8)两种酸在浓度为1mol/L和1×10-4mol/L时的pH.阴阳离子都给出则考虑电中性13.已知氨分解反应式为:NH3=0.5N2+1.5H2在450℃时平衡常数Kp=0.1132×108(Pa), 计算总压为3.039×107Pa时,氨最多能分解的百分数.习题二1．已知反应2NO3=NO+O2的平衡常数K与标准焓变ΔH及温度T(K)之间的关系如下：lnK=-ΔH/RT+C实验测定t=97℃时K=0.508×10-6，t=27℃时，K=9.79×10-11，计算t=50℃时的平衡常数。
第一章1 冶金原理研究的主要内容包括________、________和________。
冶金动力学、冶金热力学、冶金溶液。
2 金属熔体指________、________。
液态的金属、合金。
1、冶金原理是提取冶金的主要基础科学，它主要是应用_______的理论和方法研究提取冶金过程，为解决有关_____问题、开拓____的冶金工艺、推进冶金技术的发展指明方向。
物理化学、技术、新2、根据组成熔体的主要成分的不同，一般将冶金熔体分为________、______、_______、_______四种类型。
金属熔体、熔渣、熔盐、熔硫。
3、冶金原理按具体的冶金对象分为______冶金原理及_____冶金原理。
钢铁、有色金属。
4、根据熔渣在冶炼过程中的作用的不同，熔渣主要分为________、_______、________、__________四种。
在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择_____，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。
冶炼渣、精炼渣、富集渣、合成渣。
熔渣。
5、熔渣是_______和_______的重要产物之一。
金属提炼、精炼过程。
6、熔渣是指主要由各种______熔合而成的熔体。
氧化物。
7、________的作用在于使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。
富集渣、8、_______的作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。
精炼渣。
9、在造锍熔炼过程中，为了使锍的液滴在熔渣中更好的沉降、降低主金属在渣中的损失，要求熔渣具有较低的______、______和_______。
粘度、密度、渣-锍界面张力。
10、为了提高有价金属的回收率、降低冶炼过程的能耗，必须使锍具有合适的______.物理化学性质。
11、在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择________，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质。
熔渣成分12、冶金过程热力学可以解决的问题有：1）计算给定条件下的；根据的正负判断该条件下反应能否自发地向________进行：2）计算给定条件下的平衡常数，确定反应进行的______；3）分析影响反应的和平衡常数，为进一步提高________指明努力方向。
冶金物化（第二版） p431. 在不同温度测得反应FeO (s)十CO ＝Fe 十CO 2的平衡常数值如表1—19，请用作图法及回归分析法求上反应的平衡常数及0G ∆的温度关系式。
表1-19 反应平衡常数的测定值 温度，℃ 1038 1092 1177 1224 1303 K 0.377 0.357 0.331 0.315 0.297解：811lg 1.041k T=-分析作图结果：811ln 19.147( 1.041)1552819.93G RT k T T T∆==--=-+2. 略。
3. 在682℃测得Cd-Sn 合金的镉在不同浓度的蒸气压如表1—20。
试以(1)纯物质，(2)假想纯物质，（3）重量1%浓度溶液为标准态计算镉的活度及活度系数。
Cd P ，Pa Cd P ，Pa 1 27.8910⨯ 60 43.0310⨯ 20 31.1510⨯ 80 43.2210⨯ 40 32.3710⨯10043.2910⨯解：（1）以纯物质为标准态：CdCd Cd a f x =CdCdCd P a P *=CdCd Cd a r x =%%%CdCd Cd CdSnCdSnm x M M =+%Cd120 40 60 80 100 Cd x 0.0106 0.2088 0.4132 0.6130 0.8086 1.000 Cd a0.024 0.441 0.720 0.921 0.979 1.000 Cd r2.2642.1121.7421.5021.2111.000（2）以假想纯物质为标准态：247.89107.443100.0106H R Pa ⨯==⨯ CdCd H P a R =CdCdCd a f x =%Cd120 40 60 80 100 Cd x0.0105 0.2088 0.4132 0.6130 0.8086 1.000Cd a Cd f1.0000.9330.7700.6640.5350.44227.89101%i i DK Pa ==⨯ %%Cd Cda f =%Cd120 40 60 80 100 Cd a1.000 18.38 30.04 38.40 40.81 41.70 %f1.0000.9170.7510.6400.5700.4174. A-B 系合金在1000K 时组分A 的蒸气压如表1-21。
