TMS / Лекция_7

7 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИЙ ОБРАЗОВАНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА

7.1 Физические свойства железа

В зависимости от температуры твердое железо может существовать в не- скольких структурных модификациях. При температурах менее 910оС устойчи- вым является α-Fe, которое имеет объемноцентрированную кубическую кри- сталлическую решетку. При температурах 910 – 1401оС железо существует в виде γ-Fe, для которого характерна гранецентрированная кубическая кристал- лическая решетка. При температурах 1401 – 1539оС устойчивым является δ-Fe, кристаллическая решетка которого является объемноцентрированной кубиче- ской.

Температура плавления химически чистого железа равна 1539оС. Техни- чески чистое железо, полученное путем окислительного рафинирования, пла- вится при температуре около 1530оС.

Теплота плавления железа составляет 15200 Дж/моль или 271,7 кДж/кг. Кипение железа происходит при температуре 2735оС, хотя авторами не-

которых исследований установлены значительно более высокие значения тем-

Расчеты по уравнению (7.1) свидетельствуют о том, что при 1600оС давление насыщенного пара железа составляет 13,3 Па; при 2200оС – около 10 кПа; при

2735оС – 100 кПа.

2

Плотность жидкого железа при 1550 – 1650оС равна 6700 – 6800 кг/м3, при температуре кристаллизации она увеличивается до 6850 кг/м3. Плотность твердого железа при температуре кристаллизации равна 7450 кг/м3, при ком- натной температуре – 7800 кг/м3.

7.2 Влияние температуры на упругость диссоциации оксидов железа

Обладая переменной валентностью, железо при взаимодействии с кисло- родом образует несколько оксидов по реакциям

Результаты расчета равновесных парциальных давлений кислорода в ре- акциях (7.2), (7.4) и (7.6) при различных температурах показаны на рисунке 7.1.

Из рисунка видно, что равновесное парциальное давление кислорода в реакции (7.6) является высоким и достигает 100 кПа при температуре 1452оС. Это позволяет характеризовать реакцию (7.6) как обратимую в широком интер- вале температур. Равновесные парциальные давления кислорода в реакциях

(7.2) и (7.4) очень малы.

При анализе данных на рисунке 7.1 нужно обратить внимание на то, что

ляется более прочным оксидом. Поэтому при низких температурах оксид FeO

3

не образуется. В этих условиях взаимодействие железа с кислородом протекает по реакции

циации оксида Fe3O4 увеличивается быстрее упругости диссоциации оксида

высоких температурах наиболее устойчивым из оксидов железа является FeO. Из сказанного выше следует, что в зависимости от температуры окисле-

ние металлического железа до высшего его оксида может протекать по сле- дующим схемам:

1.При температурах менее 570оС металлическое железо при взаимодействии с кислородом образует оксид Fe3O4 по реакции (7.8), который затем превра-

щается в Fe2O3 по реакции (7.6).

2.При температурах выше 570оС в результате взаимодействия металлического железа с кислородом образуется оксид FeO по реакции (7.2), после чего про- текают реакции (7.4) и (7.6).

Вполе диаграммы на рисунке 7.1 можно выделить следующие области. Область I диаграммы является полем устойчивости оксида Fe2O3. В сис-

темах, состояние которых описывается точками в этом поле диаграммы, вы-

металлическое железо, а также оксиды FeO и Fe3O4 должны быть окислены до

Fe2O3.

4

Область ΙΙ диаграммы является полем устойчивости оксида Fe3O4. В сис-

темах, состояние которых описывается точками в этом поле диаграммы, вы-

оксид Fe2O3 подвергаются диссоциации по реакции (7.6), а металлическое же-

лезо и FeO окисляются до Fe3O4 по реакциям (7.2), (7.4) и (7.8).

Область ΙΙΙ диаграммы является полем устойчивости оксида FeO. В сис- темах, состояние которых описывается точками в этом поле диаграммы, вы-

оксиды Fe2O3 и Fe3O4 подвергаются диссоциации по реакциям (7.6) и (7.4), а

металлическое железо окисляется до FeO по реакции (7.2).

Область ΙV диаграммы является полем устойчивости металлического же- леза. В системах, состояние которых описывается точками в этом поле диа-

5

1 – для FeO в реакции (7.2); 2 – для Fe3O4 в реакции (7.4); 3 – для Fe2O3 в реакции (7.6); 4 – для Fe3O4 в реакции (7.8)

Рисунок 7.1 – Зависимость упругости диссоциации оксидов железа от темпера- туры