第四章 动力学一、名词解释基元反应，化学反应过程的限制性环节，化学反应的级数，化学反应的速率常数，化学反应的活化能，反应过程的准稳态，准稳态过程，对流传质，过程的限制性环节，局部平衡，扩散传质，非稳态扩散 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、基元反应是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

而反应的活化能是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

3、温度对化学反应速率的影响可用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿公式来衡量。

4、某一气相反应 A (g) 12k k B (g)+C (g) ，若用A c 、B c 、C c 表示反应过程中A (g) 、B (g)、C (g)的浓度，则Adc dt-等于＿＿＿＿＿＿＿＿，该反应的平衡常数用速率常数来表示为＿＿＿＿＿＿＿＿。

5．某一气相（可逆）反应A(g) ⇔12k 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dtdc B等于＿＿＿＿＿＿＿＿，该反应的平衡常数与该反应的速率常数的关系为＿＿＿＿＿＿＿＿。

6．已知某一气相反应 A (g) 12k k B (g)+C (g) 在300K 时，标准状态下k 1=0.21s -1，k 2=5×10-9s -1，则该反应的平衡常数为＿＿＿＿＿，反应的标准吉布斯自由能的变化值为 ＿＿＿＿＿(J)，反应进行的方向为＿＿＿＿＿。

7．已知某复合反应的反应历程为A12k 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（AdC dt-）等于＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

8、已知某复合反应的反应历程为A 11k k -⇔B ，B+D J k 2→，则A 的浓度随时间的变化率dt dC A等于＿＿＿＿＿＿，D 的浓度随时间的变化率dtdCD 等于＿＿＿＿＿＿＿。

9、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。

10．对气—固反应，化学反应的速率常数与温度的关系为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，气体在固体内的扩散过程的扩散系数与温度的关系为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，通常高温情况下，化学反应不会成为限制性环节，而扩散为限制性环节，那是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

11．已知某一气相反应 A (g) 12k k B (g)+C (g) 若用A c 、B c 、C c 表示A (g) 、B (g)、C (g)的浓度，Adc dt-等于＿＿＿＿＿＿＿＿，该反应的平衡常数用速率常数来表示为＿＿＿＿＿＿＿＿。

在298K 时，k 1=0.21s -1，k 2=5×10-9s -1，则该反应在298K 时的平衡常数为＿＿＿＿＿，该反应的标准吉布斯自由能的变化为 ＿＿＿＿＿J 。

12．依据质量作用定律可表达出化学反应的速率方程，质量作用定律适用于＿＿＿＿＿＿＿＿＿反应的速率方程。

已知某复合反应的反应历程为A 12k kB ，若A 、B 的浓度分别用AC 和B C 表示，则B 的浓度随时间的变化率dtdC B为＿＿＿＿＿＿＿＿。

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

14、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。

15、反应2)()(CO s Fe CO s FeO +=+为可逆反应，其T G 26.2422880+-=∆θ1-⋅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＿＿＿＿＿。

16、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＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

17、若反应A →B 的速率式为11C 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。

若反应A →B 的速率式为0ln ln C kt C A +-=，其中0C 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。

18、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＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

19、反应FeO(s)+CO=Fe(s)+CO 2 为可逆反应，其T G 26.2422880+-=∆θ1-⋅mol J 。

标准状态下，还原反应发生的最低温度是＿＿＿＿＿＿＿；1173K时反应的平衡常数K 等于＿＿＿＿＿＿＿＿。

若在该温度下，反应逆方向的速率常数为121032.5--⨯s ，则正反应方向的速率常数等于＿＿＿＿＿＿1-s 。

20、体系中物质的迁移分为扩散传质和对流传质。

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

三、问答1、什么是浓度边界层？由边界层理论计算传质系数的基本思想是什么？2、表面更新理论计算传质系数的基本思想及传质系数的计算式。

3、某冶金反应为气—固反应，写出化学反应的速率常数与温度的关系和扩散系数与温度的关系，说明其中每个符号的意义。

并依此说明，通常情况下高温化学反应不会成为限制性环节而扩散成为限制性环节的原因。

4．描述反应[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]的组成环节？ 5．举例说明扩散传质与对流传质的区别。

8、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。

9、钢液中Mn 的氧化反应为[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]。

（1）写出离子反应方程式。

（2）从动力学角度分析其过程的组成环节。

10、阿累尼乌斯公式为RTE ae k k -=0，依据此关系式讨论温度对化学反应速率的影响。

11．CO还原铁矿石过程的动力学方程为])1(1[1])1(323[61)(31032200R kr R R D t r C C e --+---=-ρ平，式中各符号的意义：气体的初始浓度0C ，矿球的初始半径0r ，反应t 时刻矿球的半径r ，反应气体的平衡浓度平C ，产物层内气体的有效扩散系数De ，设矿球的密度ρ反应前后不变，R 为矿球的还原度（矿球的原始量已还原的矿球的量=R ），k 为化学反应的速率常数。

（1）写出矿球完全反应时间的表达式。

（2）若内扩散为限制性环节，其速率表示式如何？ （3）反应是内扩散为限制性环节的特征是什么？四、综合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：专业班级： 姓 名： 学 号：密 封 线装 订 线（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：031320)(])1(1[)1()1(32363r t C C R K k K R R D r Re⋅-=--++⎥⎦⎤⎢⎣⎡---++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：若内扩散为限制性环节，过程速率式的形式如何？在此情况下，矿石完全反应的时间与矿粒半径的关系为何？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，CO2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 、2CO 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。

5、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：()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⋅++⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+-=31320000111132363R K k K R R D rR 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）。

6．已知未反应核模型综合控制的速率方程为：])1(1[])1(323[631322R 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。