Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали - [4]

Запись последовательно выделенных по высоте доменной печи соединений не позволит описать механизм реакции так как не показывает процессов изменения конфигурации, а только фактически фиксирует промежуточные вещества.

Механизм реакции можно получить только путем квантово-механического расчета кластера атомов кристаллической решетки. В процессе расчета наглядно видны процессы химических взаимодействий атомов, изменения электронной плотности для всего кластера, перегруппировки атомов в решетке кристалла. В результате видно, как совокупность перечисленных процессов приводит к образованию одних соединений из других. А совпадение с экспериментальными данными подтверждает правильность квантово-механического расчета.

Важно, чтобы в расчет вводилась корректная конфигурация исходных веществ, получались корректные конфигурации решеток промежуточных веществ и получалась правильная конфигурация решетки продукта реакции.

__

В работе [29] авторами установлен ! механизм реакций, протекающий по схеме:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO →Fe

Авторы работы [29] уточняют схему:

α-Fe₂O₃ → γ-Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO

Также авторы [29] приводят графические результаты расчетов структур соединений по схеме.

Вместе с тем, в работе [30] авторами приводятся струкруты соединений железа с углеродом и железа с кислородом (оксидов).

__

Авторы [29] не описывали механизм реакций, как это принято в литературе по механизмам химических реакций. Используя графические реузльтаты авторов [29] и [30] можно впервые записать механизм химической реакции в форме, как это принято в литретуре по механизмам химических реакций.

Для справки приведем подходы к описанию механизмов неорганических и химических реакций в химической литературе. В работах по неорганической химии [12], [13], [14] реакции описываются максимум брутто-формулами и приводятся текстом данные о структуре соединений. В литературе по механизмам неорганических реакций координационных соединений металлов в растворе [15], [16], механизмы реакций описываются аналогично описанию в книгах по органической химии – для индивидуальной молекулы комплексного соединения в растворе (без учета влияния атомов кристаллической решетки). Механизмы радикальных цепных реакций [17] описываются отдельными стадиями, так же как реакции взаимодействия с металлической стенкой сосуда [18]. В органической химии принято описание с обозначением стрелками смещения электронной плотности и используются устаревшие структуры изображения веществ, например, в работах [31], [32].

Приведем определение механизма реакции ЮПАК [33]: «Подробное описание процесса, ведущего от реагентов к продуктам реакции, включая характеристику как можно более полного состава, структуры, энергии и других свойств промежуточных продуктов реакции, продуктов и переходных состояний. Приемлемый механизм указанной реакции (а таких альтернативных механизмов может быть множество, не исключаемых доказательствами) должен быть согласован со стехиометрией реакции, законом скорости и со всеми другими имеющимися экспериментальными данными, такими как стереохимический ход реакции. Выводы, касающиеся электронных движений, которые динамически преобразуют последовательные виды вдоль пути реакции (например, в виде криволинейных стрелок), часто включаются в описание механизма. Следует отметить, что для многих реакций вся эта информация недоступна и предложенный механизм основан на неполных экспериментальных данных. Нецелесообразно использовать термин механизм для описания утверждения вероятной последовательности в наборе ступенчатых реакций. Это следует называть последовательностью реакции, а не механизмом.»

В настоящей монографии для реакций выплавки чугуна, ниже будет приведем именно механизм реакции.

Итак, запишем механизм реакций окисления железа в доменной печи, по данным работы [29] (выражаю благодарность авторам за выполненное исследование):

Таким образом, выше записан впервые в литературе механизм реакций выплавки чугуна, проходящий по схеме α-Fe₂O₃ → γ-Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO.

Здесь вклад автора настоящей монографии только в компилировании механизма из рассчитанных структур авторами [29] и [30].

__

В работе [30] для α-Fe₂O₃ гематита D5₁ AB3C6_cI80_206_a_d_e (международное обозначение конфигурации) приводится следующая конфигурация:

Как видно из рисунков, конфигурации полностью совпадают, запись исходного соединения в механизме реакции корректна.

Кристалл вюстита FeO по данным Уманского [8,с.140] имеет структуру В1 по международной классификации и приведена на рисунке [8,с.121]:

Вместе с тем, для FeO структуры В1 должна быть конфигурация:

Как видно из рисунков, конфигурации полностью совпадают, запись продукта реакции в механизме реакции корректна.

В части описания механизма реакций можно записать, что при химическом взаимодействии газа СО на поверхности кристалла оксида железа, кислород из оксида переходит в газ с образованием молекулы СО₂. После этого происходит перегруппировка.

Однако точные данные о ходе механизма реакций можно наблюдать наглядно на экране компьютера при просмотре результатов квантово-механического расчета процесса по схеме α-Fe