冶金原理复习题第四章

第四章 动力学
一、名词解释
1) 基元反应
2) 化学反应的级数
3) 化学反应的速率常数
4) 过程的限制性环节
5) 局部平衡
二、填空
1) 冶金热力学研究冶金过程进行的＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿；冶金动力学是研究＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

化学反应速率常数与温度的关系式是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，其关系式中＿＿＿＿＿＿参数由反应的机理来决定。

2) 温度对化学反应速率的影响可用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿公式来衡量。

3) 某一气相（可逆）反应A(g) ⇔1
2k k B(g)+C(g) ，若用A c 、B c 、C c 表示A(g) 、
B(g)、C(g)在反应过程中的浓度，则dt dc B 等于＿＿＿＿＿＿＿＿，该反应的平衡常数与该反应的速率常数的关系为＿＿＿＿＿＿＿＿。

4) 已知某复合反应的反应历程为A 12k k ⇔B ，B+D J k 2→，反应过程中A 、B 、D 、J 物
质的浓度分别用A C 、B C 、D C 、J C 表示，则A 物质的浓度随时间的变化率（A dC dt -）等于＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

5) 均相多组分体系中物质的传质分为扩散传质和对流传质，它们的区别是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

还原气体CO 在铁矿石中的迁移是＿＿＿＿＿传质，其特点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；熔渣中的硫在渣相内的迁移是＿＿＿＿＿传质。

6) 一个基元反应的反应级数为二级时，其动力学特征为▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁。

7) 双膜理论适用于▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁，钢液中的元素氧化反应过程可表示为：[M]+[O]=(MO)，若分析该反应的动力学机理，适用▁▁▁▁▁▁▁模型。

8) 反应2)()(CO s Fe CO s FeO +=+为可逆反应，其T G 26.2422880+-=∆θ 1-⋅mol J ，则1173K 时反应的平衡常数K 等于＿＿＿＿＿＿＿＿。

若在该温
度下，反应正向的速率常数为12100.3--⨯s ，逆反应的速率常数等于＿＿＿
＿＿。

9) 依据表面更新理论，传质系数的计算式为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，依据边
界层理论传质系数的计算式为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

10) 若反应A →B 的速率式为011C kt C A +=，其中C 0为A 的初始浓度，A C 为反应t 时刻A 的浓度，则该反应的级数为＿＿＿＿＿＿级。

11) 致密铁矿石被CO 气体还原，其动力学机理服从＿＿＿＿＿＿＿＿反应模型，
整个过程为＿＿＿＿＿＿＿＿个环节；通常认为在冶金高温过程中，化学反应环节不会成为整个过程的限制性环节，其依据是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

三、问答
1) 举例说明扩散传质与对流传质的区别。

2) 研究通过渣-铁反应去Mn 反应[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]。

（1） 写出化学反应的离子方程式。

（2） 用哪一种动力学模型处理该过程较为合理？
（3） 描述过程的组成环节。

3) 阿累尼乌斯公式为RT E a e
k k -=0，依据此关系式讨论温度对化学反应速率的影
响。

四、综合题
1、针对用CO 还原铁矿石（近似认为铁矿石是致密固体）的反应，回答下列问题：
（1）用哪种动力学模型处理较为合理，并描述过程的组成环节；
（2）若过程的速率式为：
0031320
)(])1(1[)1()1(32363r t C C R K k K R R D r R e ⋅-=--++⎥⎦⎤⎢⎣⎡---++ρβ平 式中：R 为还原度；β为气体在气相中的传质系数；r 0为矿球的原始半径；De 为
内扩散系数；K 为平衡常数；k +为正反应的速率常数；C 0为还原气体的初始浓度；
C 平为反应平衡浓度；ρ为矿球的密度（假定反应前后矿球的密度不变）。

问：a ）若内扩散为限制性环节，过程速率式的形式如何？
b ）在此情况下，矿石完全反应的时间与矿粒半径的关系为何？
c ）影响反应过程速率的因素有哪些？
2、(气体物质的化学反应AB(g)=A(g)+B(g)，为一级反应。

已知在温度T=593K 时该化学反应的速率常数15102.2--⨯=s k 。

试求该化学反应进行2小时时反应物AB(g)的分解率（分解率R=初始浓度
浓度已分解的AB AB ）。

3、试导出铁矿石（近似为球形）为CO 气体还原时，固相层内CO 扩散单独成为限制环节的速率方程。

并标明方程中各种符号的意义。

碳酸钙为致密的固体物，在冶炼过程中加热分解反应为
3CaCO (S) CaO(S)+2CO (g)
（1）分析过程的组成环节。

（2）当界面反应的速率为1υ=4)/1(22K P k r CO -+π，
CO 2在产物层内的传质速率2υ=
)(400022CO CO e P P r r r r RT D -⨯-π 式中r 、0r — 反应的某一时刻矿球的半径、矿球的原始半径，K 、+k —界面
化学反应的平衡常数、正反应速率常数， 2CO P 、
02CO P —反应界面CO2 的分压、矿球表面CO2 的分压， De —内扩散系数；T —反应的温度，K ；R 为气体常数。

求达到稳态时的速率方程的微分式。

4、对于2H 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：
()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⋅++⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+-=3132000
0111132363R K k K R R D r R c c r e βρτ平式中：0r 为矿球的原始半径；0ρ矿球的密度（假设反应过程不变）；0c 还原气体的初始浓度；平c 还原气体的平衡浓度；R 为还原度（的质量
原始质量已还原的FeO FeO R =）；β为还原气体在气相中的传质系数；e D 为还原气体在固体产物层内的扩散系数；K 为反应的平衡常数；k 为反应的速率常数。

（1） 当过程处于化学反应的限制环节时，写出相应的速率积分式，计算完全反应所需的时间（表达式）。

（2） 当内扩散是限制环节时，写出相应的速率积分式，计算完全反应所需的时间（表达式）。

5、已知未反应核模型综合控制的速率方程为：
])1(1[])1(323[631
322R r De R R K r KDeCo o o --+---=τρ
假定碳酸盐的离解反应可用未反应核模型来描述。

今进行碳酸盐离解动力学实验，用不同半径碳酸盐球团试验时，其离解率为1时所对应的反应时间与碳酸盐球团原始半径成正比。

试问碳酸盐离解的限制性环节是什么？为什么？
6、某氧化物被还原的动力学速率式为： ）（平))1(1()
1())1(2)1(31(633/13/2000
0R K k K R R De r R C C r t --++-+--+-=βρ 式中r 、r 0和0ρ—矿球的半径、矿球的原始半径和密度，K 、k —界面化学反应的平衡常数、反应速率常数， C 、C 0—反应界面还原气体的浓度、气相中还原气体的浓度，De —内扩散系数，β—气相的传质系数，R —矿球的还原度（初始矿量
已还原矿量=R ）。

（1）β远大于k 和De 时的速率方程；
（2）分析（1）的情况下，影响过程的主要因素。

（3）若限制性环节是氧化物的内扩散，则氧化物完全反应的时间与原始氧化物粒度的关系为何？。