Оценка прочности и процесс диссоциации химических соединений
Краткое сожержание материала:
Размещено на
Содержание
Введение
Оценка прочности химических соединений
Задача №1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой
Задача №2. Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом
Библиографический список
Введение
История человеческого общества неразрывно связана с развитием металлургии. Ещё в глубокой древности человек стал применять металлы. Вначале это были самородные металлы: золото, серебро, медь и метеоритное железо. Затем были открыты способы получения металлов из руд, вначале меди и её сплавов(бронза), а затем железа. Постепенно увеличивалось число известных человеку металлов. Если к концу XVIII века было открыто и использовалось примерно 20 металлов, то к концу XIX века их число достигло 50. Особенно бурное развитие металлургии произошло в начале и середине XX века.
В настоящее время Периодическая система Д.И. Менделеева включает 106 элементов, 92 из которых являются металлами. Промышленное значение имеют 75 металлов. Ведущее место среди металлов, как по объему производства, так и по степени использования, занимают железо и его сплавы. Их доля в общемировом производстве металлов составляет 90%. Преимущественному применению в самых различных областях народного хозяйства железо и его сплавы обязаны своими ценными физическими и механическими свойствами.
Оценка прочности химических соединений
Процессы диссоциации (распада) химических соединений однотипны и могут быть в общем виде представлены в зависимости от температуры уравнениями
АВтв = Атв + Вгаз
АВтв = Аж + Вгаз
АВж = Атв + Вгаз
АВж = Аж + Вгаз
Например:
СаСО3 = СаО + СО2
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2
2Fe3O4 = 6FeO + O2
2FeO = 2Fe + O2
FeS2 = Fe+S2 и другие.
Равновесное парциальное давление газообразного продукта таких гетерогенных реакций называется упругостью диссоциации соединения АВ и характеризует степень прочности данного соединения. Процессы диссоциации (особенно оксидов) представляют интерес для специалистов, поскольку указывают на возможность реализации прямого способа получения металлов, а характеристики этих реакций важны при анализе процессов восстановления оксидов и окисления металлов (и низших оксидов). Если металл может иметь разные валентности, то процессы диссоциации и окисления (восстановления) подчиняются принципу последовательности превращений Байкова.
Диссоциация карбонатов. Можно привести много примеров гетерогенных реакций, имеющих большое значение в металлургическом производстве: горение твердого и жидкого топлива; восстановление твердых оксидов железа газами в доменной печи; окисление углерода, растворенного в жидкой стали; реакции превращения, происходящие в твердой стали при термической обработке; диссоциация оксидов и карбонатов, высокотемпературное окисление металлов, имеющих место на всех стадиях металлургического передела, когда нагретый металл находится в контакте с атмосферой; взаимодействие жидкого металла с расплавленным шлаком. Рассмотрим кинетику гетерогенного процесса на примере диссоциации карбонатов.
Процесс диссоциации карбоната металла
MeCO3тв = MeOтв + CO2газ (1)
является гетерогенным, поскольку происходит на границе раздела между двумя твердыми фазами - исходным веществом МеCO3 и продуктом реакции MeO. Процесс диссоциации сопровождается исчезновением одной фазы и возникновением новой твердой фазы, отличающейся от первой кристаллической структурой. Такие процессы называются топохимическими. Для них весьма существенна стадия формирования новой и разрушения старой кристаллической решетки. Этот этап занимает определенное время, называемое инкубационным периодом, и реакция диссоциации идет с ничтожно малой скоростью.
Диссоциация начинается с тех анионов СО3 2-, которые имеют достаточный запас энергии, необходимый для отрыва от них анионов кислорода
CО32- = СО2 + О2-. (2)
Распад анионов CО32- и возникновение трехмерных зародышей оксида
Ме2+ + О2- = МеО (2)
представляют элементарный кристаллохимический акт рассматриваемой реакции. Появление зародышей новой фазы, и, следовательно, поверхности раздела между двумя твердыми фазами, а также распад анионов CО32-происходит на поверхности карбоната, а именно - в активных центрах. Активными центрами могут быть вершины кристалликов МеСО3, отдельные дефектные места на их гранях и ребрах, где частицы вещества обладают повышенным запасом энергии. Начиная с зародышей новой фазы, граница раздела твердых фаз перемещается вглубь кристаллической решетки материнской фазы - МеСО3. Следует заметить, что с увеличением степени дисперсности карбоната растет число активных центров, что при прочих равных условиях приводит к уменьшению инкубационного периода.
С момента появления зародышей новой фазы процесс диссоциации карбоната развивается на границе раздела между карбонатом и оксидом. Течение реакции на границе раздела твердых фаз облегчено, поскольку:
1) Поверхностные ионы CО32- находятся в несимметричном силовом поле, в силу чего они деформированы и легче распадаются;
2) Ионы О2- и Ме2+ на поверхности раздела достраивают решетку, что требует меньших затрат энергии, чем зарождение новой фазы в объеме МеСО3;
3) Процесс удаления молекул СО2 за счет диффузии от границы МеО-МеСО3 осуществляется быстрее, чем из объема МеСО3.
Рис.1. Зависимость скорости (?) топохимической реакции от времени (?): I - инкубационный период (реакция идет с такой малой скоростью, что чувствительности приборов не хватает для ее фиксации); II - автокаталитический период (заметное увеличение скорости реакции вследствие роста границы раздела между твердыми фазами); III - период завершения реакции (скорость падает из-за уменьшения фронта реакции)
Увеличение межфазной границы облегчает дальнейшее течение реакции диссоциации, что ведет к росту количества распадающегося карбоната в единицу времени, т.е. скорости реакции (рис. 1, период II). Наконец, поверхность раздела твердых фаз, достигнув максимального значения, начинает убывать в силу того, что кусочки карбоната имеют конечные размеры и, следовательно, конечную величину площади поверхности (рис. 1, период III). Одновременно с уменьшением границы раздела твердых фаз падает скорость процесса. Уменьшению скорости способствует и рост толщины слоя продукта. Если его пористость невелика, то со временем процесс переходит в диффузионный режим, и лимитирующим этапом становится диффузия молекул CO2 из зоны реакции. При значительной пористости и сравнительно небольших размерах диссоциирующей фазы сохранится кинетический режим процесса (замедленность кристаллохимического превращения).
Диссоциация оксидов
Важнейшие процессы в металлургических агрегатах сводятся, как уже отмечалось, к реакциям восстановления или окисления, т. е. к различным превращениям окислов. Поэтому прочность окислов, определяемая сродством веществ к кислороду, играет первостепенную роль в термодинамике металлургических процессов.
Для выяснения общих закономерностей рассмотрим реакцию диссоциации окисла двухвалентного металла
МеО = Ме + 1/2О2 (4)
Равновесное парциальное давление кислорода в реакции образования или диссоциации окисла называется упругостью диссоциации окисла Ро2. При отсутствии растворов она непосредственно связана с константой равновесия и является, следовательно, функцией только температуры
(5)
Реакция окисления экзотермична, и константа равновесия убывает, а
упругость диссоциации увеличивается с температурой (рис. 2). Иными словами, с ростом температуры сродство окисляемых веществ к кислороду и прочность окислов уменьшаются.
Рис.2. Зависимость логарифма упругости диссоциации окисла от температуры
Задача №1. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой
Рассчитайте значения равновесного давления кислорода и кислородных потенциалов в равновесной газовой смеси, образующейся при взаимодействии обогащённого кислородом воздуха (N2 - O2) с твердым углеродом для шести заданных температур.
Исходные данные для расчёта:
состав обогащенного воздуха, % |
Температура, 0С |
Давление, Па·10-5 |
|