Реакция окисления металла кислородом

1.4.8. Реакции окислительно-восстановительные. Коррозия металлов и способы защиты от нее.

Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — такие реакции, которые протекают с изменением степеней окисления элементов.

Изменение степеней окисления происходит из-за полной или частичной передачи электронов от одних атомов к другим:

Поскольку электроны имеют заряд «-1» , следовательно, понижение степени окисления атома химического элемента происходит в результате приобретения им дополнительных электронов.

Процесс приобретения атомом дополнительных электронов называется восстановлением:

Вещество, которое содержит восстанавливающиеся атомы, называют окислителем.

В примере выше окислителем является азотная кислота HNO3.

Аналогично повышение степени окисления происходит в том случае, когда атом элемента теряет некоторое количество своих электронов. Процесс потери атомом электронов называют окислением:

Химическое вещество, которое содержит окисляющиеся атомы, называют восстановителем. В указанном примере восстановителем является фосфин PH3.

Виды окислительно-восстановительных реакций

Межмолекулярные ОВР

Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции — такие реакции, в которых атомы окислителя и атомы восстановителя находятся в разных веществах. Например:

Внутримолекулярные ОВР

Внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции — такие реакции, в которых атомы восстановителя и атомы окислителя содержатся в одном веществе. Например:

Реакции диспропорционирования

Реакциями диспропорционирования называют такие реакции, в которых атомы одного химического элемента, являются окислителями и восстановителями и при этом находятся в одном веществе. Такие реакции также называют реакциями самоокисления-самовосстановления. Например, к таким реакциям относятся все реакции взаимодействия галогенов с растворами щелочей:

Расстановка коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях

Метод электронного баланса

Метод электронного баланса — метод расстановки коэффициентов в окислительно-восстановительной реакции, основанный на том, что количество электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, полученных окислителем.

Алгоритм расстановки коэффициентов данным методом выглядит следующим образом:

1) Следует записать схему реакции, указав формулы всех реагентов и продуктов. Например, при взаимодействии концентрированной серной кислоты с фосфором образуется фосфорная кислота, диоксид серы и вода:

2) Далее следует расставить все степени окисления и найти те элементы, у которых изменилось значение степени окисления.

3) После расстановки степеней окисления химических элементов находят те элементы, которые изменили свои степени окисления. Далее записывают уравнения полуреакций окисления и восстановления. В нашем случае они имеют вид:

4) Поскольку количество отдаваемых электронов восстановителем должно быть равно количеству принимаемых электронов окислителем, далее следует подобрать дополнительные множители к записанным полуреакциям:

5) Подобранные к полуреакциям множители переносятся в схему реакции:

6) Отталкиваясь от тех коэффициентов, которые уже известны из электронного баланса, оставшиеся коэффициенты расставляют методом подбора:

Примечание:

Следует отметить, что если в одной структурной единице какого-либо участника реакции содержится не один атом химического элемента, изменившего степень окисления, а 2 или больше, то это обязательно следует учитывать при записи уравнений полуреакций. Обратите внимание на составление электронного баланса для реакции горения этана в кислороде:

Как можно видеть в первом уравнении полуреакции, мы учли то, что в левой части уравнения уже сразу содержится не менее двух атомов углерода, поскольку одна формульная единица C2H6 содержит два атома C. По этой причине мы поставили коэффициент 2 перед атомами углерода в левой и правой частях полуреакции, а также удвоили количество «уходящих» электронов (14 вместо 7-ми).

Во второй полуреакции мы также учли, что в левой части уравнения реакции не может быть менее двух атомов кислорода, поскольку 2 атома O содержатся в одной молекуле O2. Однако как вы могли заметить, в случае простого вещества кислорода мы не стали писать 2O, а записали O2. Также следует поступать и в случае других простых молекулярных веществ, например, O2, F2, Cl2, N2, H2 и т.д.

Читайте также:  Как пишется металл профиль

Очевидно, что электронный баланс — не самая сложная часть в процессе составления уравнения окислительно-восстановительной реакции. Часто трудности возникают в том, какие продукты записывать в правой части схемы реакции.

Для того чтобы записывать уравнения ОВР, не нужно пытаться выучить все возможные реакции, тем более, что это невозможно в принципе. Надо учиться их составлять. В первую очередь, что действительно следует выучить, так это формы существования окислителей и восстановителей до и после реакции в зависимости от среды раствора. Среда раствора определяется по наличию или отсутствию среди реагентов кислоты или щелочи. Также всегда нужно помнить, что в качестве возможных продуктов не следует писать формулы веществ, реагирующих с остальными продуктами и/или со средой. Так, например, в продуктах не может быть кислоты, если изначально среда раствора щелочная и наоборот. В общем, говоря более простыми словами, все продукты должны быть химически «безразличны» друг к другу, а также к среде раствора (исключение — электролиз).

Ниже представлены основные окислительно-восстановительные переходы окислителей и восстановителей в зависимости от среды. Во многих случаях указаны не целые формулы веществ, а формулы ионов, входящих в их состав. В таком случае для записи уравнения реакции в молекулярном виде формулу иона требуется дополнить противоионами. Катионы металлов, чаще всего, объединяют с кислотными остатками, если среда кислая, а анионы с катионами металлов (если среда щелочная) или водорода, если среда кислая или нейтральная.

Окислители

Восстановители

Коррозия металлов и способы защиты от нее

Коррозией металла называют процесс его самопроизвольного разрушения в результате контакта с окружающей средой.

Коррозия бывает химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия — вид коррозии, при котором металл разрушается из-за его взаимодействия с газами или жидкостями, не проводящими электрический ток. Так, например, к химической коррозии относится образование окалины при взаимодействии железа с кислородом при высоких температурах, а также разрушение металлического оборудования под действием нефтяных фракций, содержащих сернистые соединения.

Электрохимической коррозией называют разрушение металла в растворе электролита вследствие возникновения в данной системе электрических токов. Электрические токи, способствующие коррозии, возникают в тех случаях, когда в растворе электролита изделие из металла контактирует с другим менее активным металлом. Также такие токи могут появляться из-за химической неоднородности металлического материала, из которого выполнено изделие.

Так, например, из-за электрохимической коррозии страдают подводные части судов, паровые котлы, трубопроводы, металлические конструкции в почве и т.д.

Способы защиты металлов от коррозии

1) Контроль условий, в которых эксплуатируется металлическое оборудование. Например, хранение и использование изделий из стали на открытом воздухе нежелательно и этого, по возможности, следует избегать. Эксплуатация металлического оборудования в помещениях с низкой влажностью существенно продлит его срок службы.

2) Создание защитных покрытий, изолирующих металлоконструкцию от контакта с окружающей средой. Среди таких покрытий различают:

— неметаллические покрытия — всевозможные краски, лаки, эмали, а также пленки из таких полимеров, как полиэтилен, поливинилхлорид и т.д.;

— химические покрытия (оксидные, нитридные, фосфатные и т.д.) (Такие покрытия получают специальной химической обработкой поверхности металла.);

Металлические покрытия получают нанесением на защищаемую металлическую конструкцию тонкого слоя другого металла (чаще всего с помощью процесса электролиза).

При этом, если в качестве покрытия используется менее активный металл, то такое покрытие будет защищать металлоконструкцию только при условии его целостности. В случае, если целостность такого покрытия будет нарушена, защищаемый металл будет ускоренно корродировать.

Также широко используется покрытие металлоконструкций более активным металлом. Например, распространено использование так называемого оцинкованного железа. Такое покрытие защищает металлические объекты даже при нарушении его целостности, поскольку пока практически полностью не исчезнет слой покрытия из более активного металла, коррозия металла, из которого сделан защищаемый объект, не начнется.

Читайте также:  Радиус загиба листового металла гост

3) Электрохимические методы защиты:

— катодная защита — вид защиты, при котором металлический объект подключается с помощью проводников к катоду внешнего источника тока либо же приводится в контакт с более активным металлом.

Частный случай катодной защиты, при котором металлическая конструкция приводится в контакт с более активным металлом, называют протекторной защитой.

4) Изменение химических свойств среды, в которой эксплуатируется металлическое изделие, в частности:

— добавление в среду веществ, замедляющих коррозию (ингибиторов коррозии).

— дегазация среды (удаление растворенных в ней газов, в частности, кислорода). Например, такой метод работает для защиты от ржавления железа, поскольку в процессе ржавления железа активное участие принимает не только вода, но и кислород:

Источник

Кислород в металле. Окисление примесей

В течение плавки стали в дуговой печи кислород попадает в металл и частично растворяется в нем, такой процесс обычно называют окис­лением металла.

Окисление металла и его примесей происходит в основном за счет оксидов железа, загруженных на шлак твердых окислителей, вдувае­мого в печь и в расплав газообразного кислорода и в незначительной степени за счет кислорода печной атмосферы. Присадки твердых окис­лителей на шлак приводят к повышению содержания в нем оксидов железа (Fe2O3, FeO). На границе раздела металл – шлак Fe2О3 восста­навливается до FeО. В соответствии с законом распределения кисло­род переходит из шлака в металл по схеме

Оксиды железа могут передавать в металл кислород из печной ат­мосферы, в том числе и в случае подачи кислорода в рабочее про­странство, когда на поверхности контакта шлака и печной атмосферы FеО окисляется до Fе2O3 по схеме

Образовавшийся оксид Fе2O3 восстанавливается на поверхности контакта с металлом до FеО, что способствует переходу кислорода в металл вследствие увеличения концентрации и активности FеО и по­вышения окислительной способности шлака. Кислород, поступивший в расплав, расходуется в основном на окисление примесей.

При вдувании газообразного кислорода непосредственно в метал­лический расплав струя кислорода внедряется в металл, и в этой зоне, по-разному называемой в специальной литературе (зона продувки, зо­на внедрения, реакционная зона), на поверхности пузырьков и струй идет прямое окисление железа по схеме

Там же может протекать окисление примесей кислородом:

Объем зоны продувки сравнительно невелик, даже в кислородных конверторах он не превышает 10… 13 %. Поэтому окисление примесей в основном протекает в остальном объеме ванны, часто называемом циркуляционной зоной. Кислород туда попадает вследствие растворе­ния его в железе в зоне продувки по схеме (FеО) = Fе + [О] и после­дующего переноса в объеме расплава конвективными потоками.

Следует помнить, что часть примесей, находящихся в металличе­ском расплаве, легко окисляется кислородом (Si, Тi, Аl, V, В); часть примесей практически не окисляется (Ni, Мо, Сu, Со, W); часть приме­сей окисляется не полностью (Мn, Сr).

Наибольший интерес для металлургов представляет реакция окис­ления углерода, так как продуктом этой реакции является газообраз­ный оксид углерода СО , пузырьки которого, выделяясь из металличе­ского расплава, перемешивают его, способствуют выравниванию хи­мического состава расплава и его температуры, ускоряют нагрев ме­талла, удаляют растворенные в металле газы, проходя через слой шла­ка, способствуют его вспениванию.

Процесс окисления углерода в ванне сталеплавильной печи доста­точно хорошо изучен и может быть описан следующими схемами:

1) окисление кислородом оксидов железа шлака

2) окисление кислородом, растворенным в металле,

3) окисление газообразным кислородом в виде пузырьков, попав­ших в ванну при продувке кислородом,

Повышение температуры всегда способствует более полному и бы­строму окислению углерода. Заметное окисление углерода наблюдает­ся лишь при определенной температуре. Минимальный необходимый перегрев металла над линией ликвидуса (температурой полного рас­плавления), при котором начинается процесс окисления углерода, со­ставляет 30…40 °С, практически он несколько выше.

Читайте также:  От чего зависит рынок драгоценных металлов

Следует помнить, что при окислении углерода газообразным ки­слородом суммарный тепловой эффект процесса положителен и выде­ляется большое количество тепла; при окислении углерода оксидами железа шлака суммарный тепловой эффект процесса отрицательный из-за больших затрат энергии на перенос кислорода из шлака и тепло поглощается ванной. Поэтому окисление углерода газообразным ки­слородом в принципе начинается раньше и может быть использовано, как отмечалось выше, для ускорения расплавления ванны. При окис­лении углерода оксидами железа шлака, вносимыми в шлак твердыми окислителями, температура ванны сначала может снизиться, так как тепло расходуется на нагрев и плавление твердых окислителей, а за­тем— на осуществление реакции окисления углерода оксидами железа шлака, соответственно уменьшится и скорость окисления углерода. Практически с самого начала применения газообразного кислорода в металлургии даже в старых цехах с маломощными печами стремились проводить комбинированное окисление углерода твердыми окислите­лями и газообразным кислородом для ускорения процесса.

При изучении кинетики процесса обезуглероживания многочис­ленными исследованиями были установлены так называемые критиче­ские концентрации углерода (0,15…0,30 %), при достижении которых резко снижается скорость окисления углерода и изменяется режим взаимодействия углерода и кислорода. В области концентраций угле­рода выше критических процесс окисления углерода лимитируется внешней диффузией (интенсивностью подачи кислорода), т. е. увели­чив интенсивность подачи кислорода в расплав, можно увеличить и скорость реакции окисления. При концентрации углерода ниже крити­ческих скорость обезуглероживания почти не зависит от интенсивно­сти продувки кислородом и уменьшается пропорционально пониже­нию концентрации углерода. При концентрациях углерода менее 0,05 % скорость обезуглероживания определяется только диффузией углерода к месту протекания реакции и может быть повышена лишь за счет дополнительного перемешивания расплава.

В отдельных случаях скорость процесса обезуглероживания может определяться процессом выделения СО, получаемого в результате окисления углерода. Известно, что для образования пузырька СО в металле необходимо преодолеть давление столба металла рм, столба шлака рш, атмосферы над ними ратм, силы сцепления жидкости 2 σ/r, где σ – поверхностное натяжение металла, r — радиус обра­зующегося пузырька:

При малых значениях r величина 2 σ/r огромна и образование пузырьков СО в объеме жидкого металла практически невозможно. Такой процесс возможен лишь на границах раздела фаз: шлак – металл; неметаллическое включение – металл; футеровка ванны – металл; газовый пузырь -металл. Наиболее благоприятны условия об­разования пузырьков СО на границе раздела футеровка – металл, вследствие шероховатости футеровки, плохой смачиваемости ее ме­таллом и наличия микропор, заполненных воздухом, в поверхност­ном слое футеровки.

Наблюдаемая в конце окислительного периода плавки окисленность металла близка к равновесной для реакции окисления углерода, но несколько выше ее (рис. 3.1). Разница между фактической и равно­весной концентрациями углерода вызвана как раз трудностями с выделением оксида углерода (СО) в газовую фазу.

Зависимость фактических и равновесных со шлаком концентраций кислорода в стали от содержания углерода в процессе его окисления в дуговых печах вместимостью 100 и 40 т

Следует подчеркнуть, что для условий окислительного периода плавки вполне допустимо окисленность металла характеризовать со­держанием кислорода в металле, определенном методом вакуум- плавки. Как известно, этот метод позволяет определить лишь общее содержание кислорода в металле

В окислительный период плавки в результате кипения ванны прак­тически все кислородсодержащие неметаллические включения из ван­ны удаляются и [О]общ = [О]раств, т. е. весь кислород растворен в ме­талле. В дальнейшем после раскисления стали в ней содержится неко­торое количество неметаллических продуктов раскисления и часть ки­слорода находится в виде [О]вкл . Из-за трудностей определения со­держания растворенного в металле кислорода окисленность металла в таких случаях обычно характеризуют величиной активности кислорода в металле , получаемой расчетным путем с учетом состава стали либо определяемой методом ЭДС непосредственно в жидком металле.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector