3. Оценка прочности химических соединений

Процессы диссоциации важнейших для металлургии соединений – оксидов, нитридов, карбонатов – являются весьма важными, поскольку являются прямым способом получения металлов. Данные процессы весьма однотипны, и в зависимости от температуры их можно представить уравнениями вида:

АВ_тв = А_тв + В_газ;

АВ_тв = А_ж + В_газ;

АВ_ж = А_тв + В_газ;

АВ_ж = А_ж + В_газ.

Величина равновесного парциального давления газообразного продукта этих реакций называется упругостью диссоциации соединения АВ и характеризует прочность данного соединения. Реакции диссоциации являются эндотермическими, т.е. с повышением температуры равновесие смещается в сторону продуктов реакции. Уменьшение давления при сохранении состава газовой фазы оказывает аналогичное действие.

Согласно правилу фаз Гиббса, число степеней свободы для реакций диссоциации определяется как

С = К + 2  Ф = 2 + 2  3 = 1,

т.е. для количественной характеристики достаточно лишь одного независимого параметра – температуры, от которой зависит константа равновесия процесса:

К_р = Р_В =  (Т).

Рис. 3.1. Зависимость упругости диссоциации соединения АВ от температуры

На рис. 3.1 представлена зависимость Р_В от температуры для указанных реакций.

3.1. Диссоциация карбонатов

В черной металлургии наибольший практический интерес представляет анализ реакции диссоциации карбонатов кальция СаСО₃, магния MgCO₃, марганца MnCO₃, железа FeCO₃ (сидерит) и доломита CaMg(CO₃)₂. Процессы диссоциации этих соединений однотипны и протекают по уравнению:

MeCO₃ = MeO + CO₂,

K_p =

Величина является упругостью диссоциации карбоната и характеризует меру химической прочности соединения.

Наибольший интерес представляет реакция диссоциации карбоната кальция, который входит в состав шихтовых материалов доменного и сталеплавильного производства, а также используется для получения СаО через обжиг известняка.

Реакция диссоциации СаСО₃ описывается уравнением вида

СаCO₃ = СаO_тв + CO₂, = 177 400 Дж ; (3.1)

G_Т = 178 070  150 Т; K_p(3.1) =

Зависимость упругости диссоциации карбоната от температуры представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Упругость диссоциации СаСО₃

Анализ данной графической зависимости с использованием изотермы химической реакции показывает, что диссоциация карбоната возможна, когда фактическое значение меньше равновесного и при этом G_Т < 0. Температура, при которой возможен этот процесс, является температурой начала диссоциации Т_НД.

Любая фигуративная точка 1 выше равновесной линии на рис. 3.2 отвечает устойчивому существованию карбоната СаСО₃. Любая фигуративная точка 2 ниже линии отвечает устойчивому существованию оксида СаО.

Процесс диссоциации карбоната протекает с высокой скоростью при температурах выше температуры химического кипения Т_ХК, при которой упругость диссоциации становится равной общему внешнему давлению газовой фазы.