Ответы на экзаменационный билет № 11, одно из заданий которого требует описать шамот как огнеупорный материал

Билет 11

1.  [Cu₂O] + [Ni] = 2[Cu] + (NiO)

γ_Cu2O = 20

a_NiO = 0,2

черновая медь содержит 5 мол.% Cu₂O

X_Cu2O = 0,05 моль

T = 1450 K

Определить остаточное содержание никеля в меди.

Решение:

ΔG^o _NiO = -253500 + 95,1 × 1450 К = - 115605 Дж/моль

ΔG^o _Cu2O = -147000 + 60 × 1450 К = - 60000 Дж/моль

Вычислим изменение стандартной энергии Гиббса реакции  при температуре 1450К:

ΔG^o = ΔG^o _NiO – ΔG^o _Cu2O = -115605 + 60000= -55605Дж

ΔG^o = -RTlnK_p

ln K = -ΔG^o/RT = - (-55605)/8,31×1450 = 4,61

K = 100,48

Запишем выражение константы равновесия реакции:

K =

a_Cu2O = X_Cu2O × γ_Cu2O = 20 × 0,05 = 1

3.Шамот относится к классу керамических огнеупорных материалов (техническая керамика). Основные фазы, содержащиеся в шамоте – кварц (SiO2), мулит, кристобалит. Фазовый и элементный состав шамота можно определить при помощи РФА или РСА. Подробнее расскажем о методе Рентгенофазового анализа.

РФА позволяет определить фазовый состав вещества по ряду межплоскостных расстояний. Каждая фаза имеет свою кристаллическую решетку и характеризуется определенным набором межплоскостных расстояний. Для РФА используют рентегновские лучи, имеющие длину волны, соизмеримую с межатомным расстоянием в веществе и они могут дифрагировать на совокупность атомов, как на дифракционной решетке. Излучение имеет длину волны = 10^2-10^-5 ангстрем, его можно получить при бомбардировке вещества быстро летящими электронами. Излучение получают в рентгеновской трубке. Трубка представляет собой запаянный стеклянный балон, в котором вакуум. В трубке есть катод (вольфрамовая проволока) и массивный анод (например медный). Спираль катода часто помещают в фокусирующий колпачок, для сужения пучка электронов и уменьшения фокуса трубки (площадь на аноде, на которую попадают электроны). При большой разности потенциалов електроны получают энергию и разгоняются. При бомбардировке анода электронами возникает два типа излучения (тормозное и характеристическое). Тормозное – непрерывное по длине волны излучения, характеристическое – дискретное. Остальная энергия преобразуется в тепло, поэтому саму трубку необходимо охлаждать. Рентгеновские лучи, испускаемые трубкой, ограничиваются отклоняющей щелью и попадают на образец, находящийся в центре гониометра. Дифрагированные на образце лучи сходятся на приемной щели и регистрируются сцинтилляционным детектором, преобразовываясь в электросигнаы, котороы после фильтарции шумов, усиления, подсчитываются анализатором высоты импульсов Интенсивность излучения пропорциональна величине подсчитанных импульсов и концентрации фаз, что обеспечивает возможность проведения количественного анализа.

Для исследования, шамот необходимо измельчить в тонкодисперсный порошок и запрессовать в дифрактометрическую кювету. Съемка может длить до 40 мин. Затем полученные данные обрабатываются на компьютере с помощью программы фазовой идентификации. Программа ФИ основана на сопоставлении экспериментального спектра и эталонного спектра чистых фаз, находящихся в банке данных эталонных спектров. Вывод о количественном составе можно сделать исходя из интенсивности пиков и их расположения на дифрактограмме.

4.

Уравнение Аррениуса:

Ď = Ď_о ехр(-ΔЕ_D/RT)

ln Ď = ln Ď_o – ΔЕ_D/RT × (1/T)

y = a – bx

T,K	104/T, K-1	Ď´106 см2/с	ln Ď (см2/с)
1123	8,90	3,4	15,03
1173	8,53	4,5	15,32
1223	8,18	6,8	15,73
1273	7,86	10,1	16,13
1323	7,56	11,1	16,22

tga = =

ΔE_D = tga×R = 0,79×10⁴K×8,31 Дж/моль×К = 65649 Дж/моль = 65,6 кДж/моль

3,4×10⁶ см²/с = Ď_о ехр

Значения Ď могут оказаться высокими из-за большого различия между коэффициентом химической диффузии и коэффициентом самодиффузии.

Химическая диффузия протекает не в однородной системе, т.е. в самом общем случае – это диффузия в поле градиента химического потенциала.

Для химической диффузии можно записать:

J = -L_i,

L – подвижность

М_i  = M^o + RTlnC_i