Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали - [6]
Механизмы реакций выплавки стали
Сталь получают из чугуна снижением содержания углерода и удалением растворенных примесей марганца, кремния, серы, фосфора. Основной реакцией является окисление углерода [6,с.98] для получения стали из чугуна, в котором содержание углерода до 4%.
В отличии от доменных печей, в сталеплавильных агрегатах атмосфера окислительная.
Окислительная атмосфера создается продувки ванны со сталью кислородом.
__
Железо, являсь основным компонентом, окисляется до оксида FeO. Этот оксид затем вступает в химические реакуии окисления примесей, в результате которых железо вновь восстанавливается.
Fe + О>2 → 2FeО
2FeO + Si → SiO>2 + 2Fe
FeO + Mn → MnO + Fe
FeO + С → CO + Fe
Вместе с тем, окисление примесей может происходить кислородом напрямую:
С + О>2 → СО → СО>2
Si + О>2 → SiО>2
2Mn + О>2 → 2MnО
__
В химии углеводородов рассматриваются механизмы реакций на поверхности кристалла. Считается, что молекулы перед взаимодействием адсорбируются на поверхности металла и за счет связей с металлом, ослабляются связи в молекулах, после чего становится возможным реакция между двумя молекулами и десорбция продуктов с поверхности. Например, для таких процессов можно записать схему:
В механизмах реакций в кристаллах отличие состоит в том, что молекулы входят в состав кристаллической решетки и реакции происходят в слоях решетки.
Схему превращений кислорода можно записать в виде [35,с.39]:
Молекулы О>2 распадаются на два иона, которые перемещаются в вакансии решетки (в пустоты решетки) и образуют химическую связь с атомами железа. После химической адсорбции О>2 на поверхности, происходит перенос электрона из решетки на молекулу О>2. После этого молекула О>2 диссоциирует на ионы. Центр адсорбции перестраивается и кислород переходит в структуру решетки кристалла. Кислород может находиться кроме ионов в виде поверхностных окислов различного состава.
Перестройка поверхности решетки металла происходит под действием химической адсорбции или непосредственно из-за реакций окисления [35,с40].
Для кислорода можно предположить существование вид химической абсорбции:
Точные представления получаются квантово-механически расчетом для кластера. Затем происходит распад связи О-О и встраивание кислородного радикала в решетку.
Полинг в работе [35,с.179] указывает структуру кислорода в виде бирадикала с двумя неспаренными атомами:
Структура с двойной связью является ошибочной [35,с.179]:
Молекула кислорода имеет электронную конфигурацию:
находится в триплетном состоянии, т.е. с одним неспаренным электроном на одной орбитали.
Условная схема sp>3-гибридизации атома уислорода О:
Упрощенная наглядная схема молекулы кислорода (стабильного бирадикала):
Наличие одного неспаренного электрона на орбитали соответствует радикалу (для молекулы – бирадикалу) и соответствует структуре Полинга. Здесь показаны орбитали молекулы с сохранением индивидуальных орбиталей для каждого атома.
Поэтому для рассматриваемой реакции окисления кристалла железа безразлично окисляет непосредственно молекула О>2 или радикалы, полученные после распада молекулы. Точный ответ можно найти квантово-механическим расчетом в компбютерной программе.
Атомы после соединения в молекулу О>2 имеют общие орбитали, которые выглядят по-другому и рассчитываются методом молекулярных орбиталей.
Распределение электронной плотности по данным Ахметова [12,с.64]:
Поэтому молекула кислорода может непосредственно окислять атомы железа, или окислять могут кислородные радикалы. Точный механизм атаки кислорода может быть установлен только квантово-химическим расчетом в специальном программном пакете.
Рассмотрим механизм окисления решетки из атомов железа молекулой кислорода согласно схемы Fe + О>2 → 2FeО:
Итак, записан механизм реакции окисления кристаллической решетки железа кислородом О>2.
__
В начальном моменте химической реакции на границе раздела компонентов образуется слой твердого продукта. Затем взаимодействующие твердые вещества переходят через этот слой. Реакция протекает по схеме:
А(тв) + В(тв) → С(тв) + D(тв)
Также известны реакции внедрения, в которых один их компонентов переходит в решетку другого компонента и образует соединение.
Скорость образования твердого продукта не является лимитирующей реакцией процесса [36,с.163], скорость диффузии веществ через этот твердый слой лимитирует процесс.
В теории твердофазных реакций используются представления Вагнера [36,с.170]:
1. Диффузией по поверхности разделяющего твердого слоя пренебрегают так как в слое отсутствуют поры;
2. Скорость реакции выше, чем скорость диффузии, которая лимитирует скорость процесса;
3. Сечения слоя электронейтральны, ионы переносятся независимо друг от друга.
В смесях твердых веществ химическая реакция происходит в местах частиц с расстоянием не более 0,1 нм [36,с.170]. Реализация химического взаимодействия лучше происходит для порошков по сравнению с агломератами за счет увеличивающегося при растирании контакта поверхностей.
К основным проблемам реакций между твердыми телами относятся [37,с.23] наличие затрудняющего слоя и относительной неподвижногости одного из реагентов. При нагревании после образования слоя продукта скорость определяется диффузией одного из реагентов.
