ЛР №5 - Изучение процесса окисления железа (1093936)
Текст из файла
Теория метода
При проведении технологических операций, таких как пластическая деформация, термическая обработка и других, связанных с нагревом металла в окислительной атмосфере, необходимо уметь управлять процессом окисления.
Образование оксидов при окислении металлов и восстановление оксидов - взаимно противоположные процессы, направление которых определяется соотношением между величинами фактического парциального давления кислорода в системе и упругостью диссоциации окисла металла (равновесного парциального давления кислорода при диссоциации оксида).
Если рассмотреть реакцию диссоциации оксида
2МеО -- 2Ме + О
и применить уравнения изотермы __ G = RT[lnPO - lnPO ]
то при фактическом парциальном давлении свободного кислорода
Р (фак), большем упругости диссоциации оксида Р (МеО), __ G > 0, т.е. в системе развивается реакция окисления.
Реакция восстановления (диссоциации), наоборот, протекает при фактическом давлении свободного кислорода в газовой фазе меньшем, чем упругость диссоциации оксида.
Промежуточным состоянием между указанными является состояние равновесия, которое характеризуется равенством давления свободного кислорода в системе и упругости диссоциации оксида. При этом концентрация участков реакции сохраняют постоянное значение во времени.
Процесс окисления железа в газовой фазе, состоящей из СО и СО или Н и Н О (так же, как и обратный процесс восстановления оксидов железа), протекает ступенчато в соответствии с реакцией
Fe + CO = FeO + CO __ H = 16060 Дж
3FeO + CO = Fe O + CO __ H = -36680 Дж
2Fe O + CO = 3Fe O + CO __ H = 53740 Дж
Эти реакции возможны при температурах, превышающих 570 С. Реакция (3) практически идет только в сторону восстановления, так как парциальное давление кислорода в газовой фазе, состоящей из СО и СО , при любых соотношениях этих газов меньше диссоциации оксида Fe O . Таким образом, в атмосфере, состоящей из СО и СО , невозможно окислить железо до оксида Fe O .
Равновесные кривые для рассмотренных реакций (1 и 2) представлены на рис.1.
Сплошными линиями представлены кривые взаимодействия железа с СО , а пунктирными - с Н О. Равновесные кривые для реакции (3) практически сливаются с левой вертикальной осью.
При температурах ниже 570 С оксид железа FeO неустойчив, поэтому окисление (восстановление) возможно по реакциям:
3/4 Fe + CO = 1/4 Fe O + CO __ H = 2870 Дж (4)
3/4 Fe + H O = 1/4 Fe O + CO __ H = -37970 Дж (5)
и реакции (3) рассмотренной выше.
Равновесные кривые реакций взаимодействия железа и его оксидов с СО и Н О (сплошные и пунктирные) пересекаются при температуре 820 С; при которой химическое сродство оксида углерода к кислороду и водорода к кислороду одинаково ( прочности СО и Р О равны).
При взаимодействии железа с кислородом на поверхности его образуется оксидная пленка (окалина). Структура этой пленки зависит от природы окислителя и температуры, при которой она образовалась.
При температурах ниже 570 С окалина при окислении железа на воздухе состоит из двух слоев:
1. магнетита Fe O
2. гематита Fe O (окись железа)
При температурах выше 570 С между железом и Fe O появляется слой фазы вюстита: FeO.
При нагревании железа в атмосфере диоксида углерода (или водяного пара) до 570 С образуется окалина, состоящая из магнитного оксида железа - Fe O .
При температурах выше 570 С вначале образуется вюстит, который затем окисляется до магнетита
Fe + CO = FeO + CO 3Fe + CO = Fe O + CO
Дальнейшее развитие процесса окисления до получения оксида железа Fe O в атмосфере диоксида углерода или водяного пара не происходит. В этом случае окалина состоит только из двух слоев вюстита и магнетита.
Цель работы
1) изучение процесса окисления железа диоксида углерода
2) определение состава равновесной газовой фазы;
3) определение состава оксида, полученного в результате реакций окисления.
Методика и аппаратура
Изучение процесса окисления железа осуществляется динамическим методом. Через слой стружки технического железа при определенной температуре пропускают очень медленно струю диоксида углерода. Изменение в составе газовой фазы, происходящее в результате окисления железа, определяют путем анализа газообразных продуктов реакции. Полученные данные приближаются к равновесным значениям состава газа и позволяют судить о тех оксидах на поверхности железа, относительно которых газовая фаза стремится к равновесию.
Установка для проведения опыта состоит из реакционной трубки 1, наполненной железной стружкой, газовой бюретки 2, поглотителя 3 и трехходового крана 4, который позволяет направлять газовую смесь в бюретку или на выход из прибора через промывную склянку 8.
Реакционную трубку нагревают трубчатой печью 5, включенной в электрическую сеть через автотрансформатор или реостат. Температуру в печи измеряют термопарой с гальванометром 7.
Порядок выполнения работы
Кран 4 устанавливают в положение, при котором газовая бюретка 2 соединяется с атмосферой. При помощи уравнительной склянки 9 заполняют газовую бюретку 2 раствором хлористого натрия до верхней метки. После этого кран 4 перекрывают так, чтобы реакционная трубка 9 была соединена с промывной склянкой 8, установленной при выходе газа из прибора. Воздух из прибора вытесняется при пропускании через установку в течение 10 мин диоксида углерода, которая получается в аппарате Киппа.
Трубчатую печь включают в сеть и нагревают ее до заданной температуры (750 - 850 С). Температура поддерживается в печи постоянной в течение всего опыта при помощи автотрансформатора или реостата. По достижении заданной температуры вводят в прибор диоксид углерода с такой скоростью, чтобы в промывной склянке 8 пузырьки газа проходили примерно по одному в секунду. Скорость поступления газа (5-7 мм в мин).
Через 10 мин после установления необходимых температуры и скорости прохождения газа при помощи крана 4 соединяют бюретку только с реакционной трубкой и очень медленно (за 1мин
- 1 мл газа) отбирают в бюретку порцию газа и затем удаляют его через промывную склянку в атмосферу. Эту операцию по промывке системы повторяют 2-3 раза.
После этого указанным способом отбирают на анализ определенный объем газа (25 мл за 25 мин), а кран 4 устанавливают так, чтобы газ выходил в атмосферу.
Анализ газа производят поглощением угольного ангидрида в растворе щелочи в поглотителе 3, открывая кран поглотителя и перегоняя при помощи уравнительной склянки 9 пробу газа из бюретки в поглотитель и обратно из поглотителя в бюретку.
Эту операцию повторяют несколько раз до получения постоянного значения объема поглощенного газа. Остаток в бюретке после поглощения относят на оксид углерода.
Анализ повторяют 2-3 раза, каждый раз отбирая новую порцию газа. Более близкие к равновесным данные могут быть получены при условии малой скорости прохождения диоксида углерода, через слой железа и очень медленном отборе пробы газа в бюретку.
Обработка результатов опыта
№ опыта | t, 0С | Объем газов | Объем газов | Парциальное давление | Кр | |||||
СО2 | СО | СО2 | СО | СО2 | СО | |||||
1 | 750 | 15,7 | 9,3 | 62,8 | 32,7 | 0,628 | 0,372 | 0,592 | ||
2 | 850 | 17,2 | 7,8 | 68,8 | 31,2 | 0,688 | 0,312 | 0,453 |
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.