Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали - [2]

__

Механизмы реакций в неорганической химии описываются наглядно только для структуры веществ, описываемой орбиталями гантелевидной формы. Под механизмом реакции понимается последовательность промежуточных частиц от сырья до продукта реакции.

Можно увидеть два непротиворечащих друг другу подхода – физический, описывающий свойства металла (проводимость и др.) и химический. Объяснение механизмов реакций возможно только при использовании химического подхода с описанием структур молекул и химической связи с использованием гантелевидных орбиталей. Такой подход применен Полингом [1].

Отметим, что при описании процессов органических реакций на металлическом катализаторе в нефтепереработке, используют описание структур гантелеобразными орбитами. То есть для атомов металла, на которые адсорбируется органическая молекула, применяется орбиталь как в координационном соединении. За счет связи с орбитой металла, связи в органической молекуле ослабляются и становится возможной протекание химической реакции.

По первой модели металлической связи Друда можно сделать резюме, что валентные электроны атомов железа становятся общими для всей решетки. То есть атом теряет индивидуальные свойства. Для химических реакций необходим обратный процесс восстановления индивидуальных свойств, то есть валентных электронов и гантелевидных орбиталей.

Полинг отмечает [1,с.395], что металлические связи являются резонирующими ковалентными связями на основании сравнения длин октаэдрических гибридизованных связей и атомных радиусов в решетке металла. Таким образом, можно сделать вывод о возможности выхода из резонансной структуры орбиты в ковалентную связь с органическими или неорганическими молекулами.

__

Химические реакции при выплавки стали происходят в жидкой фазе после нагрева. Механизмы реакций должны описываться как механизмы реакций в растворе.

Механизмы реакций соединений железа в растворе относятся к химии координационных соединений.

Для описания структуры координационных соединений в неорганической химии используют четыре подхода [4]:

– теория кристаллического поля,

– теория валентных связей (теория Полинга [1]),

– теория молекулярных орбиталей,

– теория поля лигандов.

В настоящей монографии для описания химии координационных соединений железа используем теорию валентных связей как теорию с наиболее наглядными результатами для понимания химизма процесса.

В теории валентных связей обитали комплекса железа рассматриваются в виде гибридизованных орбиталей центрального атома железа.

Рассмотрим проблему гибридизации атомных орбиталей.

Полинг отмечает, что для атомов железа [1,с.100] разница в энергии 3d-, 4s-, 4p-орбиталей небольшая и поэтому эти орбитали могут комбинироваться для образования прочных связывающих орбит. По Полингу прочность d-орибитали равна 2,236, гибридизованной орбитали d-s-p равна 3, что выше максимальной прочности гибридизованной s- и p- орбит, равной 2.

Пример октаэдрической гибридизованной орбитали, образованной s- и p- орбитами и двумя d-орибиталями [1,с.101]:

Пример гибридизованной тетраэдрической орбитали углерода [1,с.88]:

В работе [10,с.138] указывается о описания пространственной структуры металлической решетки с помощью направленных гибридных связей, аналогично описанию связей в алмазе. Авторы считают, что объёмно-центрированная ячейка металла получается за счет гибридных sd³-орбиталей, в гранецентрированной упаковке (кубической плотноупакованной в терминах авторов) за счет гибридных p³d³-орбиталями, гексагональные плотноупакованные структуры за счет гибридных sd²-, pd⁵- и spd⁴-орбиталей. Перечисленные гибридные орбитали определяются различным участием в гибридизации d-орбиталей, имеющихся у атома железа, которые железо предоставляет для выполнения гибридизации.

Такой подход соответствует подходу описания структур в неорганической и органической химии и по-видимому является справедливым для образования геометрии в ячейке металла. Однако, после этого, валентные электроны делокализуются по всей решетке металла, при этом за счет близкого расстояния между атомами, электронные орбитали существенно перекрываются. В методе молекулярных орбиталей, применяемом для отдельных молекул, считается, что атомы теорияют индивидуальность и электроны образуют общую для молекул орбиталь. В металле электроны образуют общий для всей решетки металла электронный газ.

В случае перекрывания орбиталей N атомов в твердом теле, образуются N новых орбиталей, относящихся к твердому телу. Уровни энергий орбиталей в металле расположены близко и образуют энергетические полосы [10,с.138]:

На этой схеме на каждом уровне находятся 2 электрона и при общем количестве N электронов, нижние уровни N/2 будут дважды занятыми.

Электрический ток является упорядоченным движением электронов. Приведем описание на основании метода молекулярных орбиталей [10,с.138]. Движение электронов может происходить, если электроны получают энергию и переходят на высокие незанятые уровни. То есть структуры металлов содержат незанятые верхние энергетические уровниъ. Для полупроводников незанятая зона близко расположена с занятой и переход возможет только при повышении энергии с повышением температуры.