mak37135 MAK-37.135 Materiaalien ja prosessien termodynaamis-kineettiset perusteet Tentti 22.2.2001 Vastaa 7:ään kysymykseen 1. Sinun olisi arvioitava hiilettyykö teräs, jonka hiilipitoisuus on 0.35% vai tapahtuuko hiilenkato ja miten nopeasti teräksen hiilipitoisuus muuttuu teräskappaleen pintakerroksissa. Lämpökäsittelyuunin suojakaasuna on N2-CH4-H2-seos ja lämpötila on tunnettu. Mitä ilmiöitä sinun tulisi ottaa huomioon ja mitä asioita selvittää saadaksesi käsityksen siitä mitä tulee tapahtumaan ja miten nopeasti ilmiöt etenevät? 2. Oheisessa piirroksessa (piirros puuttuu)on esitetty binäärisen korvausliuoksen A-B integraalinen moolinen Gibbsin sekoitusenergia (Gmix, DGmixm etc.) 1000 C:ssa. Tsekkaa onko seos (liuos) ideaalinen vaiko ei! 3. Mitä tapahtuu a) oheisen kuvan (niinpä niin...) A pisteissä 1 ja 2 kun lämpötila laskee ja b) mitkä faasit ovat stabiilit kuvan B pisteissä 1,2 ja 3 ja c) arvioi karkeasti miä on faasien ainemääräsuhde kuvan B pisteessä 3? 4. Oheisessa kuvassa on esitetty hapen osapaine (logaritmi) kun Me-Au sulaseos on tasapainossa metallioksidin Me2O kanssa. Mikä on metallin Me aktiivisuus sulaseoksessa 1100 C:ssa, kun kullan mooliosuus on 0.4 ja 0.7? Kyseisen oksidin Gibbsin muodostumisenergia ko. lämpötilassa on annettu ohessa. Vihje: muodosta kyseisen oksidin muodostumisreaktio, ja ratkaise sen tasapainoehdosta Me:n aktiivisuus Tieto: DfH (Me2O) DfG (Me2O) kj/mol kj/mol -191.436-68.524 5. Mikä on edellä mainitun oksidin muodostumisentropia 1100 C:ssa? 6. Missä lämpötilassa magnesiumkarbonaatti hajoaa spontaanisti, eli sen hajoamispaine saavuttaa yhden ilmakehän paineen (= 1 bar). Seuraava tieto on käytettävissä: Hajoamisreaktio: MgO + CO2(g) = MgCO3(s); Tieto: DfH (J) DfS (J/mol-1*K-1) MgO - 608 888-116.079 CO2-394 823 1.058 file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37135.htm (1 of 5)20.8.2004 13:15:51

mak37135 MgCO3-1092 263-273.431 7. Sinkin pitoisuus Bi-pohjaisessa elektroniikan komponenttien liittämiseen tarkoitetussa juotteessa on 3.6 mol% ja sinkin aktiivisuuskerroin (Raoultin aktiivisuukerroin siis mooliosuuteen suhteutettu) on 1.38. Hapettuuko sinkki juotteesta sinkkimonoksidiksi, kun suojaukseen käytetään kaasuseosta: 80%N2(g) + 20%H2(g) + 10 ppm (= 0.001%) H2O(g) Seuraava tieto on käytettävissä: DfG (T) = ZnO -349 329 + 98.196*T J/mol Vihje: Kirjoita hapettumisreaktio ja laske sen tasapainoehdosta H2O(g) -245 519 + 52.506*T J/mol hapettuuko sinkki (onkozno stabiili eli aktiivisuus 1) 8. Kupari-rikki seos syttyy helposti itsestään, jos aineet ovat kovin hienojakoisia. Arvioi adiabaattisen reaktiolämpötilan kautta, minkä luokan lämpötila reaktiossa syntyy ja pyrkiikö muodostuva kuparisulfidi sulamaan! Seuraava tieto on käytettävissä: DfH (298); kj/mol Cp(T) J/(mol-1*K-1) Ts l Cu2S -81.170 47.936 + 97.173*10-3*T 1403 K Välikoe I/3 12.1.2001 Vastaa kuuteen (6) kysymykseen! 1. Mikä on lyijykloridin muodostumisentalpia (DfH ) 700K:ssa? Ohessa laskentaan tarvittava termodynaaminen tieto. Cp = A + B*10-3*T + C*105*T-2 HSER(298) A B C J/mol J/(mol*K) PbCl2(s) -359 406 69.078 27.577 0 Pb 0.000 5.789 2.082 0 Cl2(g) 0.000 5.562 12.242 0.033 Apuja: Mikä tahansa muodostumissuure on kyseisen tilasuureen muutos, kun standarditilaiset (puhtaat) alkuaineet muodostavat standarditilaisen puhtaan tuotteen. Jos et ehdi laskea esitä miten olisit laskenut! 2. file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37135.htm (2 of 5)20.8.2004 13:15:51

mak37135 a) Miten stoikiometrinen yhdistefaasi ja liuosfaasi eroavat mielestäsi termodynaamisesti toisistaan? b) Mitä tarkoittaa aineen A termodynaaminen aktiivisuus, aktiivisuuskerroin ja partiaalinen moolinen Gibbsin eksessienergia? 3. Soveltuuko yksinkertainen säännöllisen liuoksen Redlich-Kister formalismi, jossa siis vain yksi vuorovaikutusparametri L, (joka vastaa Margulesin a - parametria eli Hildebrandtin nab-parametriä) mielestäsi kuvaamaan hyvin oheisen liuoksen käyttäytymistä? Perustele arviosi! Kiinteälle Cu-Ni liuokselle on määrätty 973K:ssa seuraavat integraalisen moolisen Gibbsin sekoitusenergian arvot xni DGmix/cal 0.1-4443 0.2-3153 0.3-2491 0.4-213 Vihje: Erottele toisistaan ideaalinen ja eksessi Gibbsin sekoitusenergia ja testaa miten hyvin ko. arvoilla toteutuu säännöllisen liuoksen yksi vakioparametri ( LCuNi eli ncuni)! Ratkaisu DmixG = DmixGid + DmixGxs = RT(xNilnxNi + xculnxcu) + LxCuxNi 4. a) Mitä tapahtuu oheisen tasapainopiirroksen (kuva puuttuu) pisteissä 1, 2 ja 3 sekä 4 ja 5, kun lämpötila pyrkii laskemaan edelleen nuolten suunnan mukaisesti? b) Mitkä faasit ovat stabiilit erilaisilla symboleille (räjähdys, äijänpää, tähti, sydän ja kuu) ilmaistuissa pisteissä? 5. Päättele Le Chatelier in periaatteeseen nojautuen tahi muutoin, mihin suuntaan reaktion SiC(s) + 2O2(g) = SiO2(s) + CO2(g) (1) tasapainon asema muuttuu 1000 C:ssa (so. eteneekö reaktio jompaan kumpaan suuntaan?), kun a) lämpötila nousee, b) paine laskee? Tarvittava termodynaaminen tieto: DRH (1273) = -1223.597 kj; (DRG (1273) = -1015.170) 6. file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37135.htm (3 of 5)20.8.2004 13:15:51

mak37135 Onko kulta termodynaamisesti stabiili faasi huoneenlämpötilassa ilmassa yhden ilmakehän paineessa vai pyrkiikö se hapettumaan Au2O3:ksi? Seuraava tieto on käytettävissä: DfH 298(Au2O3) = - 13 000 J/mol, S 298(Au) = 47.3 J*mol-1*K-1, S 298(O2) = 205.0 J*mol-1*K-1, S 298(Au2O3) = 125.6 J*mol-1*K-1 Vihje: Laske ensin kultaoksidin standardimuodostumis Gibbs in energia, kirjoita kultaoksidin muodostumisreaktio, päättele sen tasapainoehdosta, onko kultaoksidi stabiili huoneenlämpötilassa, ilmassa yhden ilmakehän paineessa! 7. Mikä on stökiömetrisen Cr2N:n aktiivisuus Cr2+dN-faasissa lämpötilassa 1235 C, oheisen kuvan (Yllätys, yllätys, kuva puuttuu) pisteessä B, jossa Cr2+dN-faasin kanssa tasapainoisen a-kromin typpipitoisuus on 0.22 p-% (painoprosenttia). Tieto: 1. MN = 14, MCr = 52 2. DfG (Cr2N) = -17 356 J/mol (1235 C:ssa) 3. a-cr-faasi on kromin suhteen ideaalinen eli Raoultin aktiivisuuskerroin kromille gcr = 1 Apuja: Kirjoita nitridin muodostumisreaktion tasapainoehto, sijoita siihen edellä annettu ja oheisesta kuvasta saatava tieto ja ratkaise siitä stökiömetrisen nitridin aktiivisuus! Ratkaisu: Tasapainoehto reaktiolle 2[Cr] +0.5N2(g) = [Cr2N]Cr2+dN on K = a[cr2n]a2[cr]*(pn2/p )0.5 = expìî-dfg (Cr2N) = -(-17 356)RTüþ josta delleen a[cr2n] = K * a2[cr] * (pn2/p )0.5 = 3.992*0.99192*0.010.5 = 0.393 [Cr2N]Cr2+dN viittaa siihen, että epästökiömetrinen krominitridi voidaan käsittää stökiömetrisen krominitridin ja kromin muodostamaksi kiinteäksi liuokseksi. Riippumatta siitä, miksikä ko. faasi käsitetään stökiömetrisellä krominitridillä on jokaisessa systeemin faasissa (myöskin kromifaasissa) sama aktiivisuus, joka voidaan laskea kyseisen reaktion tasapainoehdosta jos kromin ja typen aktiivisuudet ovat tunnetut! file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37135.htm (4 of 5)20.8.2004 13:15:51

mak37135 file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37135.htm (5 of 5)20.8.2004 13:15:51