- •Доклад на тему: «Роль физической химии в металлургии»
- •2013 Год
- •1. Роль физической химии в металлургии
- •2.Теоретический подход
- •2.1. Введение.
- •2.2.Основы химической термодинамики.
- •2.3. Первый закон термодинамики.
- •2.4. Работа.
- •2.5. Теплота. Калорические коэффициенты
- •2.6. Термохимия.
- •2.7. Второй закон термодинамики. Энтропия.
- •2.8 Термодинамические потенциалы.
- •2.9. Гетерогенные равновесия. Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия
- •2.10. Химическое равновесие.
- •3. Практическая часть.
- •3.1 Термодинамический анализ
- •3.2. Закон сохранения энергии и тепловые явления
- •3.3. Растворы
- •3.4.Правило фаз и диаграммы состояния.
- •3.5.Электролиты.
- •3.6. Поверхностные явления.
- •3.7. Кинетика гетерогенных реакций.
- •3.8. Скорости металлургических процессов.
- •3.8.1. Растворение твердых тел в жидкостях
- •3.8.2. Плавление скрапа
- •3.8.3. Растворение газов и дегазация
- •3.8.4. Обезуглероживание жидкой стали
- •3.8.5. Десульфурация стали
- •3.8.6. Кристаллизация стали
- •3.9.Моделирование и использование эвм при анализе сложных металлургических систем.
3.3. Растворы
На практике, особенно в металлургии, редко приходится иметь дело с чистыми веществами. Даже металлы, получаемые в особо чистом состоянии, например кремний или германий для полупроводниковых устройств, содержат примеси и по существу являются растворами. Участвующие в металлургических превращениях вещества и в твердом, и в жидком состояниях являются растворами.
Приведем некоторые примеры. Расплавленные чугун или сталь представляют собой растворы углерода, кремния и других элементов в жидком железе. Сталь в твердом состоянии представляет собой раствор углерода в железе, в котором в виде отдельных более или менее крупных включений присутствуют химические соединения - карбиды, нитриды, окислы и т. и. Нержавеющие стали — это твердые растворы на основе железа, хрома и никеля. Вообще металлические сплавы либо являются твердыми растворами, либо содержат их наряду с другими составляющими, например химическими соединениями.
Жидкие шлаки в доменных и сталеплавильных печах являются растворами окислов, содержащими и другие соединения — силикаты, фосфаты, сульфиды. Поэтому практически все металлургические процессы, начиная от выплавки металла из руд и его рафинирования от вредных примесей и кончая термической или химико-термической обработкой готовой стали, происходят с участием жидких или твердых растворов. Особое место занимают водные растворы, без которых была бы невозможна органическая жизнь. В металлургии водные растворы используют для извлечения металлов из руд, при получении металлов электролизом и при производстве гальванических покрытий.
Свойства веществ в растворах существенно отличаются от их свойств в чистом состоянии, что оказывает иногда решающее влияние на направление реакций. Поэтому теория растворов занимает одно из наиболее важных мест при рассмотрении металлургических процессов и свойств металлов и сплавов в твердом состоянии.
Для растворов в отличие от механических смесей характерна однородность. Однородны и химические соединения, однако в отличие от растворов их состав не может изменяться непрерывно, так как в соединения элементы входят в строго определенных соотношениях.
Растворы могут быть как жидкими, так и твердыми. Смеси газов также могут рассматриваться как газовые растворы. Одной из основных характеристик раствора, определяющих его свойства, является его состав или концентрация.
В металлургии состав обычно выражают в весовых или точнее в массовых процентах. В случае водных и газовых растворов концентрацию часто выражают через число молей в единице объема, например в литре. Мольную долю составляющей раствора (компонента) i, обозначаемую Ni находят из отношения
Ni = ni / ∑n
где ni— число молей составляющей i
∑n —сумма молей всех составляющих раствора, включая и рассматриваемую.
Чтобы установить направление химических превращений в реальных условиях, когда вещества находятся в растворенном состоянии, важно понять, что процессы образования растворов являются самопроизвольными. Они всегда сопровождаются уменьшением свободной энергии. Это в значительной степени связано с тем, что состояние вещества, распределенного в виде отдельных частиц в большом объеме раствора, более вероятно, чем в виде компактного твердого тела или жидкости. Поэтому при растворении увеличивается энтропия, что в соответствии с уравнением ∆G=∆H—T∆S-приводит к уменьшению свободной энергии. Из сказанного следует, что протекание реакций облегчается, если их продукты образуют растворы, и, наоборот, затрудняется, если в растворенном состоянии находятся исходные вещества. Так, известно, что хромитовую руду (Сr2О3) легче восстановить, если образуется феррохром, а не чистый хром. Или, например, легче окислить чистый графит, чем углерод, растворенный в железе.