labs

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5 РІВНОВАГА РЕАКЦІЇ ОКИСЛЮВАННЯ ЗАЛІЗА ДІОКСИДОМ ВУГЛЕЦЮ

Мета роботи: вивчити рівноваги реакцій окислення заліза діоксидом вуглецю при температурах вище 843 К і визначити значення констант рівноваги. Розрахувати константи рівноваги і зіставити їх з експериментальними значеннями.

5.1. Термодинаміка реакцій окислення заліза діоксидом вуглецю

Багато технологічних процесів (термічна обробка, прокатка, штампування та ін.) пов'язані з нагріванням металу. За наявності в газовій атмосфері печі газоподібних окиснювачів (кисню, водяної пари, діоксиду вуглецю) можливо окислення металу, супроводжується утворенням окалини, а відповідно, і втратою металу. Окислення металу, можна запобігти створюючи в печі слабко відновлювальну або нейтральну атмосферу.

При організації термічної обробки, що забезпечує незмінність складу металу (центральна термічна обробка), основне завдання - визначення рівноважного складу газової фази при відповідній температурі процесу. В окремому випадку, коли в атмосфері печі містяться оксиди вуглецю CO, CO2, необхідно; запобігти не тільки окислення металу, але і його навуглецювання внаслідок протікання реакції

2CO CO2+[C].

Процес окислення заліза протікає в суворій відповідності з принципом ступінчастості О.О. Байкова, згідно з яким при окисленні спочатку утворюється нижчий оксид, а потім послідовно вищі оксиди.

При температурах вище 843К окислення заліза діоксидом вуглецю притікає у дві стадії:

При наявності в пічній атмосфері хоча б слідів CO діоксидом вуглецю оксидів заліза до оксиду заліза (ІІІ) неможливо, оскільки для реакції

3Fe2O3→2Fe3O4+CO2

в інтервалі температур 900 ... 1500 К хімічна спорідненість позитивна (негативні значення зміни вільної енергії Гіббса).

Зміни рівноважних складів газової фази для реакцій графічно зображені на рис. 1 (криві 1 і 2), а також крива 3, що відображає зміну рівноважних складів газової фази для реакції

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

яка може протікати при температурах нижче 843К.

Рис.5.1. Зміна рівноваги складів газової фази в залежності від температури реакції (5.1)-(5.3)

Криві 1, 2 і 3 ділять полі діаграми на області стійкого існування заліза (область I), оксиду заліза або вюстіта (область ІІ) та змішаного оксиду (область ІІІ).

Константа рівноваги реакцій окислення заліза визначається співвідношенням

КР T =PCO /PCO2 =PCO /PCO2 =(%CO|%CO2)

5.2. Метод дослідження

Рівноваги реакцій окислення заліза діоксидом вуглецю досліджується циркуляційним методом. Газова фаза безперервно циркулює в

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

замкнутій системі над шаром залізного порошку до встановлення стану хімічної рівноваги.

5.3. Опис установки

Для проведення експериментів використовувати ту ж установку що і в лабораторній роботі № 1. У реакційну трубку і цьому випадку замість активованого вугілля помістимо або губчате залізо, або залізний порошок.

5.4. Порядок виконання роботи

Всі операції слід виконувати в тій послідовності, що і в лабораторній роботі №1

5.5.Обробка та аналіз досліджених даних

1.Результати вимірювань та їхньої первинної обробки оформити в табл. 5.1.

2.Зняти копію з рис. 5.1 і нанести точки, що відображають склади газової фази, отримані в результаті експериментів при різних

температурах.

3.При температурах, результати експериментів при яких найбільш близькі до рівноважним кривим на рис. 5.1, розрахувати, константи рівноваги за складом газу (табл. 5.1, графа 8) і по рівнянню

4. Співставити результати розрахунків і експериментів і зробити висновки по роботі.

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8 ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ І МЕТАЛУРГІЙНИХ РОЗПЛАВІВ

Мета роботи: ознайомитися з методиками вимірювання поверхневого натягу водних розчинів і рідких металів; досліджувати вплив поверхневоактивних речовин на поверхневий натяг водних розчинів і металевого розплаву.

8.1. Поверхневі явища в металургійних процесах

Поверхневі явища, що виникають на межі розділу фаз (розплав - газ, розплав - розплав і розплав - тверде тіло), мають суттєве значення в металургії. Поверхневий натяг шлакового розплаву - одне з найважливіших властивостей, що впливають на хід плавильного процесу. Добре відома роль поверхневих явищ у процесах флотації руд, видалення неметалевих включень з рідкого металу, в освіті Пригара на відливках, в змочуванні і просочення поверхонь твердих тіл розплавами і т.д. Іони, атоми і молекули речовини, що знаходяться в поверхневому, прикордонному з іншого фазою шарі, відчувають односторонній вплив з боку часток внутрішніх шарів розплаву, внаслідок чого на поверхні розплаву виникає тонка плівка, що надає тиск на розплав. Для розриву поверхневої плівки потрібно докласти певних зусиль. При цьому здійснюється робота, витрачається на подолання молекулярних або іонних сил. Ця робота, віднесена до одиниці площі поверхні, що утворюється при розриві, називається поверхневим натягом, Дж/м2:

AS .

Поверхневий натяг - це міра вільної поверхневої енергії. Воно висловлює зміна вільної енергії поверхні при збільшенні її площі на 1 см2. Для системи, що знаходиться при постійних тиску і температурі:

Поверхневий натяг рідини (розплаву), що перебуває в контакті з газовою фазою, можна визначити також як силу F, що діє в поверхневих шарі, віднесену до одиниці довжини, Н/м:

Fl

Поверхневий натяг залежить від структурної будови розплаву, властивостей газової фази, величини і заряду іонів (атомів, молекул), адсорбованих в прикордонному (поверхневому) шарі, і ін.. У додатку 2 наведені значення поверхневого натягу рідких металів. У багатокомпонентних системах прагнення до зменшення надлишкової вільної поверхневої енергії проявляється в скупченні на міжфазній межі іонів речовин, що знижують поверхневий натяг. Подібні речовини нази-

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

ваються поверхнево-активними. Іони поверхнево-активних речовин мають менший узагальнюючий момент (відношення заряду іона до його радіусу), ніж іони основного компонента (розчинника). Речовини, що підвищують поверхневий натяг, називаються поверхневонеактивними (інактивні). Взаємозв'язок між надлишковою концентрацією С речовини на межі розділу фаз і зміною поверхневого натягу описується рівнянням Гіббса, моль/м2;

Г C d ,

RT dC

де С - об'ємна концентрація розчиненої речовини, моль/м3;

d - зміна поверхневого натягу розчину (розплаву) зі зміною концен- dC

трації розчиненого речовини або поверхнева активність речовини на межі розділу фаз. Поверхнево-активні речовини характеризуються по-

зитивною адсорбцією (при dCd <0, Г>0) тобто їх концентрація в поверх-

невому шарі вище, ніж в об'ємі. Адсорбція поверхнево-інактивних речовин негативна (при dCd >0, Г<0). Їх концентрація в поверхневому ша-

рі нижче, ніж в об'ємі. Помітний вплив інактивних речовин на поверхневу натяг виявляється тільки у разі їх високої концентрації у розчині (розплаві).

8.2.Метод дослідження

Уроботі використано метод, заснований на визначенні максимального тиску, необхідного для продавлювання бульбашки газу через капіляр, занурений на певну глибину в досліджувану рідину.

Тиск газу всередині р бульбашки, що знаходиться у поверхневого шару рідини, пов'язане з поверхневим натягом, Па:

де r - радіус бульбашки, м.

При утворенні бульбашки на глибині h від поверхневого шару слід врахувати гідростатичний тиск рідини рр=γh=ρgh (γ, ρ - відповідно питома вага і щільність рідини).

При вимірюванні тиску U-подібним манометром як манометричній рідини можна використовувати воду. У цьому випадку тиск газу в бульбашці у момент його відриву від торця капіляра, рівне різниці рівнів рідини в колінах манометра H, вимірюють у міліметрах водяного стов-

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

па (мм вод.ст.), причому 1 мм вод.ст.=9,81 Па=9,81 Н/м2. Тоді p=9,81 H

[Н/м2].

При дослідженні поверхневого натягу водних розчинів їх щільність можна прийняти рівною 1,0 кг/м3. У цьому випадку гідростатичний тиск рр=ρgh=1[кг/м3]·9,81[м/с2]·h[м]=9,81h[Н/м2].

З формули (8.2) маємо

Радіус капіляра r визначається або за допомогою вимірювального мікроскопа, або експериментально з використанням рідини з відомим поверхневим натягом.

При дослідженні поверхневого натягу рідких металів для розрахунку використовують формулу, Н / м:

де p - максимальний тиск в газовому бульбашці, Па; ρMe - щільність розплавленого металу, кг/м3.

При вимірі поверхневого натягу рідин, змочують матеріал капіляра, використовують товстостінні капіляри, а в разі рідин, не змочуються матеріал капіляра, застосовують капіляри ножової товщини.

8.3.Поверхневий натяг водних розчинів

8.3.1.Опис установки

Установка (рис. 8.1) складається з газометра 1, капіляра 2 з покажчиком глибини занурення 3, мікроманометри 4, пристрою 5 для вертикального переміщення склянки 6 з досліджуваної рідиною і мікрокрана 7 для регулювання витрати газу, що продувається через капіляр. Напірна склянка 8 служить для створення тиску в газометрі 1.

Рис. 8.1. Установка для дослідження поверхневого натягу водних розчинів

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

8.3.2.Порядок проведення досліду

1.Визначити глибину занурення капіляра. Вимірявши відстань від краю покажчика 3 до нижнього зрізу капіляра, останній занурюють у розчин до зіткнення покажчика 3 з поверхнею рідини.

2.Визначити радіус капіляра. Залити в склянку 50 см3 дистильованої води, занурити капіляр до зіткнення з поверхнею води. Відкривши кран газометра 1, за допомогою мікрокрана 7 встановити такий витрата газу, що продувається через капіляр 2, щоб кожен пухирець формувався і відкривався від зрізу капіляра окремо.

У момент відриву бульбашки в системі створюється максимальний тиск газу, що фіксується манометром 4. Виміряти максимальний тиск газу для чотирьох-п'яти послідовних бульбашок. Підставляючи в (8.3) виміряні значення H, h і σ=72,8·103 Н/м, отримуємо вираз, з якого визначаємо радіус капіляра.

3.Дослідити поверхневий натяг водних розчинів поверхнево-активних речовин, що застосовуються в металургійних процесах: флотаційні реагент НЧК (нейтральний чорний контакт), піноутворювачі ДС-РАС і СДБ (сульфідно-дріжджова бражка), які використовуються при отриманні наливних самотвердних сумішей для виготовлення ливарних форм.

Виміряти поверхневий натяг ретельно перемішаних сумішей дистильованої води (50 см3) і поверхнево-активних речовин, що додаються послідовно в кількостях 0,5; 0,5; 1,0; 2,0; 2,0; 2,0; 2,0; 5,0; 5,0; 10 см3.

Перед кожним вимірюванням слід коригувати глибину занурення капіляра, поступово опускаючи стаканчик з розчином за допомогою пристрою 5.

Результати вимірювань оформити у вигляді табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

8.3.3. Обробка та аналіз дослідних даних

1. Розрахувати концентрації поверхнево-активної речовини в розчині,%:

де Vg - обсяг доданого речовини, см3; СПАР - концентрація поверхне- во-активної речовини в розчині, доданому до води;

V - початковий обсяг води, см3. Дані розрахунків занести в графу 5 табл. 8.2.

2.За формула (8.3) розрахувати поверхневий натяг суміші; дані розрахунків занести в табл. 8.2, графу 7.

3.По даними табл. 8.2, графам 5 і 7 побудувати графік залежності поверхневого натягу суміші від вмісту в ній поверхнево-активної речовини.

8.4.Поверхневий натяг розплавлених металів

8.4.1.Опис установки

Установка (рис. 8.2) складається з плавильного агрегату 1, в якому поміщений тигель 2 з розплавом, тензометричного датчика тиску 3 (служить для перетворення механічної величини - тиску в електричну величину), пристрої 4 для переміщення капіляра 5, індикатора глибини занурення 6 і адсорбера 7 для очищення інертного газу, що надходить з балона 8. Витрати газу, що продувається через капіляр, регулюється редуктором 9, мікрокраном 10 і вимірюється (контролюється) реометром (ротаметром) 11. Температура розплаву вимірюється термопарою занурення 12 і реєструється потенціометром 13.Електричні сигнали, що надходять від датчика тиску 3, реєструються потенціометром

14.

Рис. 8.2. Установка для дослідження поверхневого натягу розплавленого металу

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата