10. Відновлення оксидів металів за допомогою со і н2

Відновлення оксидів металів газами відбувається за реакціями:

В даному випадку є невідомим, тобто невідомими є умови відновлення. Аналіз можна виконати, якщо зпівставити між собою дві простіші реакції:

Отже, бачимо, що . Аби реакція відновлення могла йти вправо, необхідно, аби було негативне. Це може бути досягнуто, якщо буде більш негативне, ніж величина, значить, у СО(Н₂) спорідненість до кисню має бути більшою, ніж у металу.

Розглянемо три крайні випадки відновлення оксидів металу газами залежно від співвідношення між спорідненістю металу до кисню і спорідненістю відновника СО (Н₂) до кисню.

1. Спорідненість в металу і СО (Н₂) до кисню приблизно однакові.

Таким чином ,

Значить

Тому

Це означає, що в рівноважній газовій фазі вміст СО і СО₂ приблизно однаковий.

У відновній газовій суміші вміст СО повинен бути більше, ніж в рівноважній (див. точку “б”). Якщо газова суміш має склад в точці “в”, то відновний процес не можливий, а навпаки, може мати місце окислення металу.

Якщо в газовій фазі міститься лише два гази, то .

В цьому випадку .

В даному випадку маємо рівняння з одним невідомим, з якого знаходимо .

в тому випадку, якщо коефіцієнти перед СО і СО₂ рівні.

2. Спорідненість металу до кисню набагато менше спорідненості СО до кисню.

Таким чином

. В цьому випадку сильно негативна величина, отже константа рівноваги буде великою величиною.

Це означає, що в рівноважному газі доля СО₂ значно перевищує долю СО.

3. Спорідненість в металу до кисню значно вище, ніж в СО.

Таким чином . В цьому випадку величина буде величиною позитивною, а константа рівноваги буде дуже маленькою величиною.

Це означає, що в рівноважній газовій фазі доля СО складає практично 100 %.

Ця схема аналізу є основою класифікації оксидів по відновлюваності:

I група – середньовідновлювані оксиди – FеO, SnO, MoO, ZnO.

II група – легковідновлювані оксиди – NiO, CuO, PbO, MgO.

III група – важковідновлювані оксиди – MnO, Al₂O₃, CaO, V₂O₃

Гази СО та Н₂ мають практично однакові відновні властивості, тому що спорідненість до кисню у них майже однакова. Аналіз необхідних відновних сумішей показує, що газами СО і Н₂ раціонально відновлювати середньо- і легковідновлювані оксиди металів, а важковідновлювані оксиди краще відновлювати твердим вуглецем або металом – відновником.

11.Закономірності відновних процесів в системах з розчинами

В більшості випадків чисті речовини при підвищенні температури беруть участь в реакціях лише в певних долях від сумарного процесу. Надалі оксиди можуть переходити в шлак (розчини), а метали – розчинятися один в одному. Доля процесів за участю речовин в чистому вигляді і за наявності розчинів залежить від:

- складу шихти;

- швидкості реакції відновлення;

- швидкості процесів шлакоутворення;

- температури ведення процесів.

Вплив наявності розчинів в системі на результат процесу оцінюють, порівнюючи між собою реакції між чистими речовинами і реакції з розчинами.

Розглянемо відновні процеси в системах з розчинами. (Як відновник використовуємо газ СО).

Реакція між чистими речовинами:

Оксид є чистою фазою, а метал здатний розчинятися в іншому металі з утворенням розчину.

Якщо речовини однакові в реакціях, і якщо мають місце одні й ті ж температури, тоді , це означає, що .

Порівнявши ці два варіанти отримуємо:

Отже:

оскільки величина , то

Це означає, що, коли метал переходить в розчин, то в рівноважному газі міститиметься більше СО₂ в порівнянні з реакцією між чистими речовинами.

Рівноважні криві для процесів відновлення, що супроводяться переходом металу в розчин, завжди відповідають вищим концентраціям СО₂ (малюнок). Якщо метал здатний розчинятися в іншому металі, то умови його відновлення з оксиду полегшуються. Якщо сировина багатокомпонентна, то чистий метал отримати з нього неможливо, завжди виходитиме або сплав, або метал, що містить домішки.

Метал знаходиться в чистому вигляді, оксид знаходиться у шлаку.

В даному випадку маємо, що , тобто

Оскільки , тоді отримуємо

Отже

Це означає, що в рівноважному газі в системі, де оксид знаходиться у шлаку, доля СО буде більше, ніж в реакції з чистими речовинами.

Чим менше оксиду залишається у шлаку, тим вище має бути доля СО в рівноважному газі, тим вище має бути концентрація СО у відновній суміші. Таким чином, якщо оксид знаходиться у шлаку, то він відновлюється важче, і тим важче, чим менше його залишається у шлаку. Теорія говорить про те, що оксид з шлаку повністю відновити неможливо.