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 N_i находят из отношения

N_i = ni / ∑n

где n_i— 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.