Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали

Молекулы О₂ распадаются на два иона, которые перемещаются в вакансии решетки (в пустоты решетки) и образуют химическую связь с атомами железа. После химической адсорбции О₂ на поверхности, происходит перенос электрона из решетки на молекулу О₂. После этого молекула О₂ 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 sp³-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 О₂ или радикалы, полученные после распада молекулы. Точный ответ можно найти квантово-механическим расчетом в компбютерной программе.

Атомы после соединения в молекулу О₂ 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 + О₂ → 2FeО:

Итак, записан механизм реакции окисления кристаллической решетки железа кислородом О₂.

__

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.

Наличие твердых растворов влияет на кинетику реакции твердых веществ. В этом случае кинетика делится на два типа: 1) реакционная смесь с чистыми реагентами, 2) реакционная смесь, в которой один компонент предварительно насыщен другим компонентом.

___

Состав твердого раствора железа с углеродом показывается на диаграмме «железо-углерод» [7,с.115]:

Диаграмма «железо-углерод» обозначает границы по температуре и концентрации существования форм кристаллических решеток (структур) железоуглеродистых сталей.