Физико-химия неорганических материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УТВЕРЖДАЮ
Руководитель Департамента
образовательных и программ и стандартов
профессионального образования
______________________ В.И.Кружалин
"____" ______
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИКО-ХИМИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки
дипломированных специалистов 651800 Физическое материаловедение
Специальность 070800 Физико-химия процессов и материалов
Москва 2003
1. Цель дисциплины
Научить методам физико-химического анализа металлов и неметаллических материалов,
строить физико-химические модели процессов взаимодействия в сложных системах.
2. Практические умения и навыки
Уметь выполнять:
– термодинамические и кинетические расчеты высокотемпературных систем и протекающих в них;
– формулировать и решать задачи диффузии;
– оценивать температурные параметры характеристик изучаемых процессов.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы (час)
Таблица 1
Вид учебной работы
Семестр
Всего часов
5
6
Общая трудоемкость
240
120
120
Аудиторные занятия
136
68
68
Лекции
102
51
51
Практические занятия (ПЗ)
34
17
17
104
52
52
экзамен
экзамен
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Вид итогового контроля
4. Содержание учебной дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
Раздел дисциплины
Лекции
ПЗ
С
1
2
3
4
5
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
1. Термодинамика сплавов.
2. Уравнения диффузии и методы определения параметров диффузии.
3. Механизм диффузии в металлических и неметаллических материалах.
4. Диффузия в гетерогенных системах.
5. Термодинамика металлических растворов.
Таблица 2
ЛР
6
2
6. Кислород в жидких металлах.
7. Электрохимические измерения кислородными датчиками и анализ металлургических систем и процессов.
8. Физико-химические закономерности и модели пирометаллургических процессов.
9. Дисперсное состояние вещества. Роль поверхности
в физико-химических процессах, протекающих в
твердом веществе.
10. Явления в твердых веществах при нагревании. Реакционная способность твердых веществ.
11. Электрохимическая кинетика электродных реакций.
12. Термодинамика и кинетика совместного протекания катодных реакций.
13. Основные аспекты прикладной электрохимии.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4.2. Содержание лекционного курса
Раздел 1. Термодинамика сплавов
1.1. Введение. Роль термодинамических расчетов в анализе процессов превращений в сплавах. Методы расчета сложных равновесий химический реакций с участием компонентов сплавов.
1.2. Термодинамические характеристики сплавов. Экспериментальные методы определения, способы описания. Представление избыточных термодинамических функций в виде рядов.
Метод параметров взаимодействия Вагнера.
1.3. Растворы углерода, азота, кислорода, водорода, серы в сплавах железа. Связь влияния
легирования на термодинамические свойства растворов с положением легирующего элемента в
Периодической системе Д.И.Менделеева.
1.4. Общий метод статистической теории растворов. Регулярные растворы. Квазихимическое приближение. Ассоциированные растворы.
1.5. Статистическая теория фаз переменного состава. Интерметаллические соединения. Изменение термодинамических функций в области гомогенности.
1.6. Термодинамика растворов и фаз внедрения. Нестехиометрические карбиды, нитриды,
гидриды.
1.7. Методы термодинамических расчетов диаграмм состояния.
1.8. Расчеты реакций образования избыточных фаз в сплавах: оксидов, карбидов, нитридов,
интерметаллидов.
Раздел 2. Уравнения диффузии и методы определения параметров диффузии
2.1. Введение. Роль диффузии в создании новых материалов.
2.2. Уравнения диффузии, методы их решения, результаты.
2.3. Коэффициенты диффузии. Экспериментальные методы их определения. Основные результаты. Значения параметров диффузии в металлах, сплавах и неметаллических материалах.
Раздел 3. Механизмы диффузии в металлических и неметаллических материалах
3.1. Модель случайных блужданий. Связь между коэффициентом диффузии и характеристиками случайных блужданий. Зависимость коэффициента диффузии от температуры и давления.
3.2. Вакансионный механизм диффузии. Связь между коэффициентом диффузии и характеристиками вакансий. Экспериментальные методы определения характеристик вакансий. Междоузельный механизм диффузии.
3.3. Диффузия в ионных кристаллах, жидких и аморфных металлах.
Раздел 4. Диффузия в гетерогенных системах
4.1. Диффузия в многофазных системах. Диффузионный рост фаз.
4.2. Диффузия и химические реакции.
3
Раздел 5. Термодинамика металлических растворов
5.1. Термодинамические функции раствора, способы представления концентрационной и
температурной зависимости функций. Относительные термодинамические функции раствора. Модель совершенного раствора. Избыточные термодинамические функции раствора
5.2. Парциальные мольные функции. Избыточные парциальные мольные функции. Уравнения связи между функциями раствора и компонентов. Графическое представление мольных функций бинарного раствора и компонентов.
5.3. Термодинамические модели металлических растворов. Избыточные энергии Гиббса
раствора в разных моделях. Бинарные металлические раствора Fe–Cr, Fe–Ni, Fe–Si, Ni–Cr и др.
Избыточные химические потенциалы, коэффициенты активности и активности компонентов в бинарных системах. Стабильность и избыточная стабильности растворов.
5.4. Переход на многокомпонентные металлические растворы. Избыточные химические потенциалы и активности компонентов в многокомпонентных растворах.
5.5. Разбавленные растворы в жидких металлах. Использование законов Рауля и Генри в
реальных растворах. Разложение в ряд Тейлора избыточных парциальных мольных функций растворенного компонента. Мольные и массовые параметры взаимодействия
5.6. Многокомпонентные разбавленные растворы. Стандартные состояния и состояния
сравнения. Переход от одного стандартного состояния к другому. Активности компонентов C, Si,
Mn, S и др. в жидкой стали
Раздел 6. Кислород в жидких металлах
6.1. Растворимость и активность кислорода в жидких металлах: Fe, Co, Ni и др. и в металлических растворах.
6.2. Термодинамические пределы окислительного рафинирования расплавов.
6.3. Термодинамика раскисления жидких металлов.
Раздел 7. Электрохимические измерения кислородными датчиками и анализ металлургических систем и процессов
7.1. Физико-химические основы электрохимических измерений в жидкой стали. Твердые
электролиты и их свойства. Уравнения для расчета активности кислорода в жидкой стали и сплавах.
7.2. Пределы измерений и расчетов активности кислорода в жидкой стали кислородными
датчиками. Погрешности измерений и расчетов.
7.3. Электрохимический контроль технологического процесса обезуглероживания жидкой
стали.
7.4. Электрохимический контроль технологических процессов раскисления и циркуляционного вакуумирования жидкого металла. Анализ и модели процессов внепечного рафинирования
металла.
7.5. Электрохимические измерения в жидких шлаках. Термодинамический анализ оксидного раствора по результатам электрохимических измерений и расчетов.
Раздел 8. Физико-химические закономерности и модели пирометаллургических процессов
8.1. Закономерности и кинетические модели процесса обезуглероживания стали газообразным кислородом и газокислородными смесями
8.2. Кинетические модели окислительного процесса: уравнения и графические зависимости
8.3. Термодинамическая модель окислительного процесса при выплавке стали.
8.4. Кинетическая модель обезуглероживания расплава переменной массы (применительно
к новым металлургическим технологиям выплавки "чистой" стали)
8.5. Кинетическая модель азотирования расплавов из азотсодержащей низкотемпературной
плазмы.
Раздел 9. Дисперсное состояние вещества. роль поверхности в физико-химических процессах, протекающих в твердом веществе
9.1. Структурообразующие факторы и виды структур в реальных твердых веществах. О
связи между энергией решетки, удельной поверхностной энергией, прочностью кристаллов и реакционной способностью твердых веществ.
4
9.2. Дисперсное состояние вещества. Особенности свойств дисперсных веществ по сравнению с массивным твердым веществом. Описание поверхности твердых тел. Дефекты поверхности.
9.3. Основы физико-химии ультрадисперсного состояния.
9.4. Методы получения ультрадисперсных сред и их исследование.
Раздел 10. Явления в твердых веществах при нагревании. Реакционная способность твердых
веществ
10.1. Явления разупорядочения в твердых веществах. Механизмы образования дефектов на
поверхности и в объеме твердых веществ. Нестехиометричность твердых соединений. Разупорядочение в твердых телах под воздействием нетепловых форм энергии.
10.2. Физико-химические явления на поверхности твердых реагентов при протекании гетерогенных процессов. Атомная и электронная перестройка в твердых веществах при адсорбции.
10.3. Механизм сублимации твердых веществ. Особенности сублимации сложных веществ
(оксидов, карбидов, нитридов, боридов).
10.4. Превращения в твердых веществах без изменения химического состава. Структурная
чувствительность твердофазных превращений.
10.5. Превращения в твердых веществах с изменением химического состава. Термодинамическая и кинетическая температура начала взаимодействия твердых веществ. Температура Бочвара–Таммана. Роль паровой фазы во взаимодействии твердых веществ.
10.6. Физико-химические основы изменения реакционной способности твердых реагентов
под воздействием высокоинтенсивных источников энергии.
Раздел 11. Электрохимическая кинетика электродных реакций
11.1. Лимитирующие стадии электродного процесса. Поляризация электродов. Перенапряжение на электроде как мера торможения отдельных ступеней электродного процесса.
11.2. Скорость электрохимической реакции. Соотношение Беренстеда. Уравнение частной
поляризационной кривой. Кинетический вывод выражения для равновесного потенциала. Ток обмена.
11.3. Перенапряжение перехода. Зависимость скорости электрохимической реакции от перенапряжения вблизи и вдали от равновесия. Уравнение типа Тафеля.
11.4. Влияние адсорбции чужеродного вещества на скорость электрохимической реакции.
Ингибирование и стимулирование электрохимической реакции.
Раздел 12. Термодинамика и кинетика совместного протекания катодных реакций
12.1. Относительная термодинамика протекания нескольких катодных реакций.
12.2. Кинетика совместного протекания нескольких катодных реакций.
12.3. Совместное катодное выделение металла и водорода.
12.4. Особенности термодинамики и кинетики получения электролитических осадков.
Раздел 13. Основные аспекты прикладной электрохимии
13.1. Электрохимический механизм коррозии металлов в жидкости и газе. Понятие о методах защиты металлов от коррозии.
13.2. Электрохимические источники тока.
13.3. Электрохимические процессы получения и рафинирования металлов в водных и расплавленных солевых электролитах.
13.4. Получение электрохимических покрытий из водных растворов и ионных расплавов.
13.5. Применение электрохимических технологий для охраны окружающей среды.
5. Примерный перечень лабораторных работ
Программой учебной дисциплины лабораторные работы не предусмотрены
5
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература (основная)
1. Физико–химические основы металлургических процессов. / Жуховицкий А.А., Белащенко Д.К., Бокштейн Б.С. и др. // М.: Металлургия, 1973. – 392 с.
2. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика сплавов железа. М.: Металлургия, 1983. – 240 с.
3. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. – 248 с.
4. Теория металлургических процессов. / Рыжонков Д.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В и
др. // М.: Металлургия, 1989. – 392 с.
5. Алесковский В.Б. Химия твердого вещества. М.: Высшая школа, 1978. – 368 с.
6. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая
школа, 1987. – 295 с.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Расчетные компьютерные программы, тренажеры, плакаты, слайды.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Компьютерный класс.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом
ВПО по направлению подготовки дипломированных специалистов 651800 Физическое материаловедение
Программа составлена на основе рабочей программы МИСиС (ТУ) по данной дисциплине.
Программа одобрена на заседании Совета УМО по образованию в области металлургии от
29 января 2003 г., протокол №42
Зам. председателя Совета УМО
В.П.Соловьев
6