Решение (Готовое ДЗ вариант №2)

1. Подсчитайте энергию Гиббса (ΔG) для следующих реакций при сварочном нагреве в интервале 1000-1500 °С.

_Дано:

_{Решение:}

Энергия Гиббса определяется по формуле (по методу Улиха::

где, - изменение энергии Гиббса химической реакции,

- изменение энтальпии образования,

- изменение энтропии химической реакции,

- изменение молярной теплоемкости химической реакции.

Энергия Гиббса при:

Вывод: Мы определяем энергию Гиббса, чтобы спрогнозировать химические реакции, таким образом, мы можем судить об окислительных и восстановительных свойств веществ и их взаимодействиях. В температурном интервале 1000-1500 К данная реакция идет в прямом направлении.

Mn применяется для раскисления стали при её плавке, также связывает серу, улучшая качество стали.

2. Определите энтропию растворения в железе следующего элемента при 20°С и при 1500°С в концентрации 0,5%.

Дано:

Вещество – Ti.

Решение:

_1. Стандартная энтропия 1 моль молибдена:

2. Пересчитаем массовую концентрацию молибдена в молярную N_Ti по формуле:

, где - соответственно атомная масса и массовая концентрация i – го элемента;

К – число элементов в системе.

3. Определяем энтропию 1 моль молибдена при температуре 1500 ⁰С по формуле:

- температура, при которой рассчитывается энтропия (задана по условию);

- стандартная температура.

– теплоемкость молибдена.

4. Определяем энтропию растворения молибдена в железе при T=1798K:

5. Определяем энтропию растворения при 20 ⁰С:

Вывод: Энтропия системы тем выше, чем больше степень неупорядоченности (беспорядка) системы. Таким образом, если процесс идет в направлении увеличения неупорядоченности системы (а повседневный опыт показывает, что это наиболее вероятный процесс), ΔS — величина положительная. Для увеличения степени порядка в системе (ΔS > 0) необходимо затратить энергию. Оба этих положения вытекают из фундаментального закона природы — второго закона термодинамики.

Таким образом, энтропия возрастает, т.к. возрастает температура.

3. Подсчитайте парциальное давление рСО_2, выделяющегося при нагреве следующих веществ в составе электродного покрытия и сравните с СаСО₃.

Дано:

Вещество – MnCO₃

Решение:

При диссоциации MnCO₃ имеет место следующая реакция:

В условия термодинамического равновесия константа этой реакции , так как остальные компоненты являются конденсированными (жидкими или твердыми) веществами и не участвуют в изменении давления газовой среды.

_{Рассчитаем константу равновесия для реакции с СaCO3:}

Сравнение давления pCO₂ при нагреве MnCO₃ и CaCO₃:

Вывод: MnCO₃ обеспечивает защиту дуги от внешней среды лучше, чем CaCO3.

4. Какие элементы при сварке в воздухе окисляются в первую очередь.

Дано:

15НМ

Решение:

Состав стали:

Реакции окисления элементов сплава:

Сродство к кислороду можно определить по энергии Гиббса реакции, для её определения необходимо подсчитать , , :

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль углерода:

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль никеля:

3) ;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль молибдена:

4) ;

;

;

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль железа:

Рассчитаем мольные концентрации компонентов сплава:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

Энергия Гиббса компонентов с учетом мольной концентрации:

Вывод: в сплаве 15НМ первым окисляется C, затем Mo, Fe, Ni.

5. Какое количество модификатора Ti можно ввести в сталь 15НМ при сварке под кремниево-маргнонцевом флюсе.

Дано:

15НМ

Ti

Флюс 40% SiO₂

Решение:

Реакции окисления элементов сплава:

Определим энергию Гиббса реакции, для её определения необходимо подсчитать , , :

1)

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль углерода:

2)

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль никеля:

3)

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль молибдена:

4)

Изменение энергии Гиббса реакции окисления 1 моль железа:

Рассчитаем количество модификатора Ti:

Вывод: Можно ввести в сталь 91,2∙10­^-5­ г. модификатора Ti.

6. Выберите элемент, который при сварке при T = 1900 °C защитит углерод от выгорания в стали 45.

Дано:

Элемент – Mg.

Решение:

Определим энергию Гиббса данных реакций:

Вывод: Mg защищает Fe и C от выгорания в стали 45.

7. Подсчитайте константу равновесия следующей реакции в стадии ванны (Т=1900⁰С). Что узнают о реакции по константе равновесия?

Дано:

Nb+O₂

Решение:

Для вычисления константы равновесия воспользуемся формулой Вант – Гоффа:

;

;

Вывод: константа равновесия характеризует завершенность реакции, чем больше , тем больше степень завершенности реакции (концентрация продуктов реакции выше концентрации исходных веществ). В данном случае при Т=1900⁰С Nb существует в виде оксида.

8. Рассчитать степень диссоциации в зоне дуги (Т=1000 – 1500 ⁰С) для следующих веществ.

Дано:

N₂, H₂

Решение:

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса при Т=1000⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Изменение энергии Гиббса при Т=1500⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

1. ;

;

;

Изменение энергии Гиббса при Т=1000⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Изменение энергии Гиббса при Т=1500⁰С

- степень диссоциации равна нулю.

Вывод: при увеличении степени диссоциации появляются заряженные частицы (ионы, радикалы и т.д.) следовательно увеличивается проводимость дуги.