冶金工程实验讲义

《冶金热力学与动力学实验》指导书

实验一 、 碳的气化反应

一．实验目的

1．测定恒压下不同温度时反应的平衡常数。

2．了解在恒温恒压下反应达平衡时测定平衡常数的方法。

3．了解影响反应平衡的因素。

二．实验原理

在高炉炼铁、鼓风炉炼铜、铅、锌以及煤气发生炉等生产实践中，固体碳的气化反应具有十分重要的意义。其反应为：

C ＋CO 2＝2CO

该反应的自由度为F ＝2－2＋2＝2,即反应平衡时，气相成分取决于温度和系统的压力。

在一大气压时，该反应的平衡常数为：

%)(%)(2222CO CO P P K CO CO P == （1—1） 由等压式知

B RT H K P +∆-=303.2lg （1—2）

式中ΔH 为反应热，R 为气体常数，T 为绝对温度，B 为常数。

三．实验装置

如图2-3所示，由二氧化碳气瓶、气体净化系统、管式高温炉及控温仪表、气体分析仪器组成。

图1-3碳的汽化反应实验装置

1.CO2气瓶2 流量计3.管式电阻炉4.铂铑热电偶5.温度控制器6. CO2传感器；7.计算机8实验台

四．实验步骤

1．按图装好仪器设备，将碳粒装入电炉内瓷管的高温带，塞上胶塞，用融化的石蜡密封好。

2．分段检查系统是否漏气，重新密封，直至不漏气为止。

3.通电升温接通电源，打开控温器电流为5A，逐步升到10～12 A。在升温的同时；打开气瓶，以较大的气流（40ml／分）排出系统内的空气，排气5分钟后调流量为20ml／分，并保持此流量不变。

4.炉温在600℃恒温5分钟后，接通CO2气体传感器，计算机读数，记录CO2％含量。

5. 再按上述操作连续4点，700℃，800℃，900℃，1000℃。分析反应平衡气体中CO2含量同上操作，再取该温度下反应平衡气体，记录CO2％含量。

7．实验完毕，恢复仪器原状，切断电源，关闭气体。

五．实验报告要求

1.计算各温度下平衡气相成分，以体积百分数表示，取10次结果的平均值。

2.计算各温度下的平衡常数K p。

3.绘制平衡气相中一氧化碳与温反t的关系曲线。

4.绘制lgK p－1／T直线，由直线斜率求出反应热ΔH值。

5.讨论温度对反应平衡移动的影响．

六．思考题

1.为什么要检查系统不漏气？

2.为什么要控制流速20 ml／分？

3.为什么要严格控制温度？

实验二、金属氧化动力学

冶金物理化学实验经常涉及过程的速率和机理，即动力学规律的研究。这也是有重要实际和理论意义的领域。动力学实验通常只能测得过程中某一个与反应速率有关的物理量随时间变化的动力学曲线。过程机理的确定和速率方程的建立，还需把动力学曲线与各种动力学模型相结合，再辅以其它实验手段才能确定。因此动力学模型的分析和讨论是动力学实验不可缺少组成部分。动力学研究按其涉及的体系划分，可分为气—固、气—液、液—液、固—固相等反应动力学；按其研究方法划分，可分为静态法(等温、等压或等容)、动态法(非等温或流动气体)；按测量的物理量划分，可分为热重法，电导法、测压法等。本实验为热重静态法研究气—固相反应动力学。

一．实验目的

(1)掌握热重法研究金属氧化动力学的原理及方法。

(2)测定空气下金属等温氧化增重曲线，掌握判断反应控速步骤和计算动力学参数的方法。

二．实验原理及设备

1 支架 2天平 3 吊丝 4 控温器 5 计算机 6桌子 7 金属片 8 炉子

热重法是在程序控温条件下，测量物质质量与温度或时间关系的一种技木。热重法有等温热重法和非等温热重法两类，前者是在恒温下测定物质质量变化与时间的关系；后者是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系。热重曲线常用两种方式表示方式：TG 曲线或DTG 曲线，前者表示失重过程的累积量，属积分型；后者是TG 曲线对时间或温度一阶微商，即质量变化率与时间或温度的关系曲线。因此只要物质受热发生物理或化学变化，有质量变化，就可以用热重法来研究其变化过程。

对金属氧化反应 xM(s)+yO 2（g ） = M x O y （s ）

随着时间的增加，其固体产物增加，因而重量值增加。由所得实验曲线就可以判断不同实验条件下样品增重值的大小，比较其抗氧化性能，并有样品重量随时间（或温度）的变化关系，研究反应的过程和机理。

金属氧化反应过程主要有下列步骤，

(1)氧通过气相边界层向金属表面的传质过程。

(2)氧或金属离子在氧化层中的扩散过程。

(3)金属与氧在界面上发生化学反应过程。在反应初期（未形成致密产物层时），只有前两步。

对于平板试样(即氧化过程中反应面积基本不变)，在氧化初期未形成致密产物层或金属氧化膜(如铁的氧化物)疏松的情况下，金属氧化为化学反应控速。在TG 曲线上表现为单位面积上氧化增量(ΔW)随时间(t)线性增加的零级反应特征，即遵循膜生长直线定律：

t k A W

1=∆ （2—4）

A —试样表面积，cm 2

K 1—表现反应速度常数，mg ／cm 2.s

在氧化中后期氧化膜致密并有一定的厚度时，金属氧化速度为氧或金属离子在氧化膜中扩散所控制。单位面积上氧化增量随时间呈抛物线变化的一级反应特征，即遵循金属氧化抛物线规律：

t k A W

22)(=∆ （2—5）

式中k 2—抛物线速度常数，mg 2/ cm 4．s)。

实验主要设备是高温加热炉和天平组成。除此还有炉温控制系统。

四．实验步骤

(1)检查与熟悉仪器装置。

(2)用砂纸擦净试样（铜片）表面氧化膜，用卡尺测定样品的尺寸。用酒精、丙酮清洗去油污。样品质量不大于5g 。

(3) 打开电源，给高温炉通电加热。将样品挂入天平吊钩上，提升加热妒至工作位置，待天平读数稳定后，读出祥品初始重量。将样品提出。

(4)，控制温度750℃，将样品放入炉内。开始记录数据。

(5) 实验结束后，加热护自动下降至冷却位置，取出样品。

四．实验报告

(1) 确定金属氧化过程各阶段的动力学速度方程和机构，并求出相应的表现速度常数及偏差。

(2) 讨论温度对反应速度的影响及影响实验结果的因素。

五、思考题

(1)对流及浮力对热重分析和实验结果有何影响？

（2）若用保护性气体（氩气）（氮气）等对实验结果有何影响？