2.8.3. Вычисление констант равновесия химических

реакций

Вычисление констант равновесия химических реакций можно про­водить на основе экспериментов или расчетным путем. Расчетное их определение основано на использовании термодинамических данных. В таблицах термодинамических величин приводятся значения и -различных веществ при стандартных условиях. Для определе­ния кон-станты равновесия реакций, протекающих в зоне сварки, рекомендуется пользоваться уравнением

2.9. Явления в жидких средах и на поверхностях

раздела фаз

В зоне сварки плавлением весьма важное значение имеют процессы, протекающие в жидких средах и на границах раздела фаз. Фазами в зоне сварки являются жидкий и твердый металлы, газовая и шлаковая среды. К числу важнейших процессов в зоне сварки сле­дует отнести взаимодей-ствие жидких фаз с газами и оксидами.

2.9.1. Закон распределения вещества в несмешивающихся

растворителях

Рассмотрим систему, состоящую из двух жидких фаз А и В, не раство-ряющихся одна в другой, и третьей — газовой фазы.

Рис. К определению константы распределения

Один из компонентов газовой фазы может растворяться как в фазе А, так и в фазе В. Согласно закону Генри концентрация газа в каждой из жидких фаз при одной и той же температуре пропорциональна давлению, под которым она находится, т. е. можно записать , , откуда следует, что

(2.32)

Величина называется константой распределения и является матема-тическим выражением закона распределения Нернста. Этот закон при-меним к веществу в любом агрегатном состоянии (если оно растворяется в двух соприкасающихся растворителях) и имеет следующую формули-ровку: каждое вещество распределяется между дву­мя растворителями так, что отношение его концентраций в обоих растворителях остается по-стоянным.

При этом следует иметь в виду, что если в двух несмешивающихся растворителях одновременно могут растворяться несколько веществ, не реагирующих между собой, то каждое из них будет растворяться неза-висимо от другого, имея свою константу распре­деления, так как согласно закону Дальтона константа растворения одного вещества не связана с кон-стантой растворения другого вещества.

Закон Генри справедлив в том случае, когда растворенное ве­щество не изменяет молекулярного веса (нет диссоциации, полимеризации или обра-зования химических соединений). Все эти явления сильно усложняют оп-ределение константы равновесия и в курсе лек­ций не рассматриваются.

2.9.2. Практическая ценность закона распределения при изучении металлургических процессов

При сварке плавлением образуется очень много закиси железа FeO, чему способствуют высокие температуры. При охлаждении и затверде-вании металла сварочной ванны растворимость закиси желе­за в нем уменьшается, но все-таки большое ее количество остается в металле шва, что резко снижает механические свойства сварного соединения, вызывая красноломкость.

Бороться с закисью железа можно двумя путями:

а) химическим раскислением металла шва;

б) физическим удалением закиси железа из металла шва (диффу­зионное раскисление).

В первом случае в сварочную ванну вводят элементы-раскислители, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо, и поэтому восстанавливают его из окисла. Основное требование к элементам-paскис-лителям заключается в том, что образующиеся окис­лы этих элементов не должны растворяться в металле и должны раст­воряться в шлаке.

Во втором случае удаление закиси железа из металла сварочной ванны основано на использовании закона распределения. При свар­ке плавлением имеем пример двух несмешивающихся жидкостей — сталь и шлак, в ко-торых растворяется закись железа. Распределе­ние закиси железа между сталью и шлаком подчиняется закону рас­пределения, в связи с чем кон-центрация ее в стали определяется концентрацией в шлаке и константой распределения

. (2.33)

Примечание: — в шлаке; — в металле.

Уменьшение концентрации свободной закиси железа в шлаке вызывает снижение ее содержания и в .жидком металле: из металла закись железа будет переходить в шлак, так как при данной темпе­ратуре значение константы распределения постоянно.

На использовании закона распределения основано не только диффузи-онное раскисление, но и обессеривание металла, получение весьма чистых металлов и сплавов методом электрошлакового переплава.