6.17 Про хімічну спорідненість елементів до кисню

У зварювальній ванні відбувається складний комплекс фізико-хімічних процесів. Головними з цих процесів є процеси окиснення та відновлення. Окиснення киснем небажано для металу, що зварюється, тому велике значення має прогнозування можливостей проходження окислювальних реакцій.

Оцінюють хімічну спорідненість елементів до кисню по:

а) зміні ізобарно–ізотермічного потенціалу;

б) пружності дисоціації оксиду металу.

6.17.1 Хімічна спорідненість до кисню по зміні ізобарно–

ізотермічного потенціалу

Стандартне рівняння зміни енергії Гібса має вигляд

. (6.117)

Для нестандартних умов рівняння з урахуванням зміни теплоємності в залежності від температури та з урахуванням енергій фазових перетворень має вигляд

. (6.118)

Зміна енергії Гібса в формулі (6.118) визначається для інтервалу температур, у якому відбуваються фізико–хімічні процеси в зоні зварювання, і має лінійну залежність від температури (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 — Залежність від температури

Існує ряд випадків.

Якщо = 0, то тоді реакція знаходиться в стані рівноваги.

Розглянемо реакцію типу

. (6.119)

Якщо > 0, то процес окиснення металу не відбувається.

Якщо < 0, то йде процес окиснення металу.

Чим більш | | при умові, що < 0, тим активніше іде процес окиснення та міцніше оксид.

В загальному випадку всі метали в інтервалі температур Т=1000-3500 К із збільшенням температури, знижують свою спорідненість до кисню.

6.17.2 Хімічна спорідненість до кисню по пружності

дисоціації оксиду металу

Якщо в реакції (6.119) метал і оксид є чистими конденсованими продуктами, то газоподібним продуктом є тільки кисень. Постійна рівноваги в такій системі буде визначатись лише одним парціальним тиском кисню

, (6.120)

де — парціальний тиск вільного кисню.

Цей тиск відповідний умовам рівноваги і називається пружністю дисоціації оксиду даного металу, тобто пружність дисоціації хімічної сполуки є концентрацією газоподібного продукту для рівноважних умов, яка вимірюється в атмосферах.

Чим менша пружність дисоціації, тим менше кисню знаходиться в вільному вигляді та більше у зв’язаному, тобто в оксиді, процес окиснення іде більш активніше.

Для визначення скористаємося формулою (6.121)

, (6.121)

тоді

. (6.122)

На практиці визначають відношення

, (6.123)

де — дійсний парціальний тиск кисню в газовій фазі при проходженні процесу.

В залежності від співвідношення та може бути ряд випадків.

Якщо > , то процес іде в сторону збільшення кисню в газовій фазі (відновлення).

Чим більша різниця ( – ), тим інтенсивніше іде процес відновлення.

Якщо < , то іде процес окиснення. Чим більша різниця ( – ), тим активніше іде процес окиснення.

Для природних атмосферних умов для більшості металів << , тому метали на повітрі миттєво окислюються, за

винятком золота, срібла, платини.

Обчислюючи lg будують залежності lg = f(T).

Покажемо графічну залежність lg від температури

(рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 — Залежність lg від температури

З наведених графіків можна зробити деякі висновки:

1. Чим більша температура, тим менша вірогідність утворення оксиду.

2. Чим вище розташована крива, тим вище стійкість оксиду та більш здатність металу до розкислювання, який входить до складу даного оксиду.

Не тільки температура впливає на спорідненість елементів до кисню, а ще й концентрація. Якщо в системі знаходиться декілька компонентів, що окислюються, то кожен з них не зможе окислитись незалежно від інших компонентів. У цьому випадку вводять поняття пружності дисоціації оксиду елемента, який входить в розчин

, (6.124)

де a_мет — активність металу.

Чим вище a_мет, тим інтенсивніше іде процес окиснення та міцніше оксид.

Це використовується в металургійних процесах при дуговому зварюванні для зв’язування кисню, який знаходиться в зварювальній ванні. В зварювальну ванну вводять елементи–розкислювачі, які володіють високою активністю (магній, кремній, алюміній, тощо), які зв’язують кисень в оксиди елементів–розкислювачів спливаючих у шлак.