Wykonanie ćwiczenia:

W pierwszej kolejności odważamy 3 próbki z żużla otrzymanego w procesie topienia koncentratów w piecu zawiesinowym, po 30g każda. W oparciu o podany skład chemiczny żużla obliczamy ilość węgla niezbędną do redukcji tlenków miedzi, żelaza i ołowiu. Następnie węgiel odważamy uwzględniając jego nadmiar w wysokości 50%, i mieszamy go z żużlem. W ten sposób przygotowane próbki umieszczamy w tyglach grafitowo - szamotowych, przykrywamy i wkładamy do pieca do temperatury 1250⁰C na czas 60 - 90 min.

Skład żużla:

Cu - 15,8%

Fe - 5%

Pb - 2,6%

SiO₂ - 31,2%

MgO - 11,5%

CaO - 17,0%

Al₂O₃ - 11,0%

Obliczenia

Znając skład żużla oraz masę próbek obliczamy masy miedzi, żelaza i ołowiu, które zawiera każda z próbek, a następnie obliczamy ilość węgla potrzebną do redukcji tlenków tych metali. Reakcję redukcji tlenku metalu można przedstawić w następujący sposób:

2MO + C = 2M + CO₂

w przypadku tych trzech metali będą one wyglądały następująco:

2Cu₂O + C = 2Cu + CO₂

2FeO + C = 2Fe + CO₂

2PbO + C = 2Pb + CO₂

Masy metali zawarte w 30g żużla:

Cu = 30g ∙ 15,8% = 4,7g

Fe = 30g ∙ 5% = 1,5g

Pb = 30g ∙ 2,6% = 0,78g

Ilość węgla potrzebnego do redukcji obliczamy z proporcji:

Do redukcji miedzi:

2Cu₂O + C = 2Cu + CO₂

127g (Cu) - 12g (C)

4,74g (Cu) - x g(C)

x =

= 0,0,224g

Do redukcji żelaza:

2FeO + C = 2Fe + CO₂

111,6g (Fe) - 12g(C)

1,5g (Fe) - x g(C)

x =
= 0,16g

Do redukcji ołowiu:

2PbO + C = 2Pb + CO₂

414g(Pb) - 12g(C)

0,78g(Pb) - x g(C)

x =
= 0,026g

Sumujemy masy węgla potrzebnego do redukcji:

0,224g + 0,16g + 0,022g = 0,4g

Uwzględniając 50% nadmiaru

0,4g ∙ 150% = 0,6g

W ten sposób otrzymujemy masę węgla potrzebnego do redukcji. Wszystkie trzy próbki przygotowujemy w ten sam sposób, mianowicie odważamy potrzebną ilość żużla oraz węgla i oba te składniki mieszamy w tyglu grafitowo - szamotowym, przykrywamy grafitową przykrywką i umieszczamy w piecu elektrycznym, którego temperatura wynosi 1250 - 1300⁰C.Pierwszy tygiel wyjmujemy po upływie 60 minut, następny po 75 minutach, a ostatni po upływie 90 minut od włożenia do pieca. Po ostudzeniu ważymy zawartość tygla, następnie oddzielamy produkty redukcji i ważymy tylko metal

Czas	Masa zawartości tygla	Masa metalu
60 min	29,3g	5,7g
75min	29,3g	6,01g
60 min	20,5g	6,4g

Wydajnością procesu nazywamy stosunek metalu po redukcji, jaką wyjęliśmy z tygla do masy teoretycznej. Masa teoretyczną obliczamy sumując masy miedzi, żelaza i ołowiu, jakie zawarte były w 30g żużla na początku przed wstawieniem do pieca.

Sumując :

4,7g (Cu) + 1,5g (Fe) + 0,78g (Pb) = 6,98g

czyli masa teoretyczna która byłaby możliwa do uzyskania wynosi 6,98g

η - wydajność procesu

η =
∙ 100%

Wydajność procesu po 60 minutach:

η =
∙ 100%

η = 81,7%

Wydajność procesu po 75 minutach:

η =
∙ 100%

η = 86,1%

Wydajność procesu po 90 minutach:

η =
∙ 100%

η = 91,7%

Obliczenia zmiany energii swobodnych reakcji

2Cu + FeS = Cu₂S + Fe

2Cu + 0,5 S₂ = Cu₂S

Cu₂O + C = 2Cu + CO

Cu₂O + CO = 2Cu + CO₂

	1000K	1100K	1200K	1300K	1400K
Cu	-11,063	-12,653	-14,306	-160,17	-17,010
Cu2O	-71,506	-75,955	-80,597	-85,422	-90,421
Cu2S	-60,506	-66,359	-72,397	-78,605	-84,969
S2	-27,861	-34,367	-40,953	-47,613	-54,340
C	-3,035	-3,646	-4,305	-5,010	-5,757
CO	-77,298	-82,942	-88,658	-94,440	-100,284
CO2	-150,445	-156,937	-163,544	-170,260	-177,078
FeS	-47,633	-51,312	-55,127	-59,067	-63,125
Fe	-10,073	-11,768	-13,587	-15,488	-17,451

ΔG⁰_T = ΔG⁰_produktów - ΔG⁰_substratów

Obliczenia dla temperatury 1000K:

2Cu + FeS = Cu₂S + Fe

ΔG⁰₁₀₀₀ = [(-60,506) + (-10,073)] - [(-47,633) + 2(-11,063)]

ΔG⁰₁₀₀₀ = - 70,579 + 69,759

ΔG⁰₁₀₀₀ = -0,82

2Cu + 0,5 S₂ = Cu₂S

ΔG⁰₁₀₀₀ = (-60,506) - [2 ∙ (-11,063) +
∙ (-27,861)]

ΔG⁰₁₀₀₀ = -60,506 + 36,057

ΔG⁰₁₀₀₀ = -24,449

Cu₂O + C = 2Cu + CO

ΔG⁰₁₀₀₀ = [2 ∙ (-11,063) + (-77,298)] - [(-71,506) + (-3,035)]

ΔG⁰₁₀₀₀ = -99,424 + 74,541

ΔG⁰₁₀₀₀ = -24,883

Cu₂O + CO = 2Cu + CO₂

ΔG⁰₁₀₀₀ = [2 ∙ (-11,063) + (-150,445)] - [(-71,506) + (-77,298)]

ΔG⁰₁₀₀₀ = -172,571 + 148,804

ΔG⁰₁₀₀₀ = -23,767

Dla pozostałych temperatur obliczenia przeprowadzamy w sposób analogiczny:

2Cu + FeS = Cu₂S + Fe

ΔG⁰₁₁₀₀ = [(-66,359) +(-11,768)] - [(-51,312) + 2(-12,653)]

ΔG⁰₁₁₀₀ = -78,127 + 76,612

ΔG⁰₁₁₀₀ = -1,509

ΔG⁰₁₂₀₀ = -2,245

ΔG⁰₁₃₀₀ = -2,992

ΔG⁰₁₄₀₀ = -5,275

2Cu + 0,5 S₂ = Cu₂S

ΔG⁰₁₁₀₀ = -23,869

ΔG⁰₁₂₀₀ = -25,309

ΔG⁰₁₃₀₀ = -22,765

ΔG⁰₁₄₀₀ = -23,779

Cu₂O + C = 2Cu + CO

ΔG⁰₁₁₀₀ = -28,647

ΔG⁰₁₂₀₀ = -32,368

ΔG⁰₁₃₀₀ = -36,042

ΔG⁰₁₄₀₀ = -37,606

Cu₂O + CO = 2Cu + CO₂

ΔG⁰₁₁₀₀ = -23,346

ΔG⁰₁₂₀₀ = -22,901

ΔG⁰₁₃₀₀ = -22,432

ΔG⁰₁₄₀₀ = -20,393

Wnioski:

Jak widać na wykresie wydajności procesu najmniejsza wydajność ma miejsce w przypadku próbki, która przebywała w piecu 60 minut, a największa występuje w próbce, która trzymana była w piecu przez 90 minut. Na tej podstawie możemy wnioskować, że wydajność procesu rośnie wraz z czasem, to znaczy, że im dłużej będziemy prowadzili proces tym więcej metalu otrzymamy. Po wykonaniu obliczeń zmiany energii swobodnych reakcji widzimy, że najmniejsze wartości ma reakcja 2Cu + FeS = Cu₂S + Fe

a największe wartości ma reakcja Cu₂O + C = 2Cu + CO

---