ЛР №5 - Изучение процесса окисления железа

Теория метода

При проведении технологических операций, таких как плас­тическая деформация, термическая обработка и других, связанных с нагревом металла в окислительной атмосфере, необходимо уметь управлять процессом окисления.

Образование оксидов при окислении металлов и восстанов­ление оксидов - взаимно противоположные процессы, направле­ние которых определяется соотношением между величинами факти­ческого парциального давления кислорода в системе и упру­гостью диссоциации окисла металла (равновесного парциального давления кислорода при диссоциации оксида).

Если рассмотреть реакцию диссоциации оксида

2МеО -- 2Ме + О

и применить уравнения изотермы __ G = RT[lnPO - lnPO ]

то при фактическом парциальном давлении свободного кислорода

Р (фак), большем упругости диссоциации оксида Р (МеО), __ G > 0, т.е. в системе развивается реакция окисления.

Реакция восстановления (диссоциации), наоборот, протека­ет при фактическом давлении свободного кислорода в газовой фазе меньшем, чем упругость диссоциации оксида.

Промежуточным состоянием между указанными является состояние равновесия, которое характеризуется равенством давления сво­бодного кислорода в системе и упругости диссоциации оксида. При этом концентрация участков реакции сохраняют постоянное значение во времени.

Процесс окисления железа в газовой фазе, состоящей из СО и СО или Н и Н О (так же, как и обратный процесс восстанов­ления оксидов железа), протекает ступенчато в соответствии с реакцией

Fe + CO = FeO + CO __ H = 16060 Дж

3FeO + CO = Fe O + CO __ H = -36680 Дж

2Fe O + CO = 3Fe O + CO __ H = 53740 Дж

Эти реакции возможны при температурах, превышающих 570 С. Реакция (3) практически идет только в сторону восстановления, так как парциальное давление кислорода в газовой фазе, состо­ящей из СО и СО , при любых соотношениях этих газов меньше диссоциации оксида Fe O . Таким образом, в атмосфере, состо­ящей из СО и СО , невозможно окислить железо до оксида Fe O .

Равновесные кривые для рассмотренных реакций (1 и 2) представлены на рис.1.

Сплошными линиями представлены кривые взаимодействия же­леза с СО , а пунктирными - с Н О. Равновесные кривые для ре­акции (3) практически сливаются с левой вертикальной осью.

При температурах ниже 570 С оксид железа FeO неустойчив, поэтому окисление (восстановление) возможно по реакциям:

3/4 Fe + CO = 1/4 Fe O + CO __ H = 2870 Дж (4)

3/4 Fe + H O = 1/4 Fe O + CO __ H = -37970 Дж (5)

и реакции (3) рассмотренной выше.

Равновесные кривые реакций взаимодействия железа и его оксидов с СО и Н О (сплошные и пунктирные) пересекаются при температуре 820 С; при которой химическое сродство оксида уг­лерода к кислороду и водорода к кислороду одинаково ( проч­ности СО и Р О равны).

При взаимодействии железа с кислородом на поверхности его образуется оксидная пленка (окалина). Структура этой пленки зависит от природы окислителя и температуры, при которой она образовалась.

При температурах ниже 570 С окалина при окислении железа на воздухе состоит из двух слоев:

1. магнетита Fe O

2. гематита Fe O (окись железа)

При температурах выше 570 С между железом и Fe O появля­ется слой фазы вюстита: FeO.

При нагревании железа в атмосфере диоксида углерода (или водяного пара) до 570 С образуется окалина, состоящая из магнитного оксида железа - Fe O .

При температурах выше 570 С вначале образуется вюстит, который затем окисляется до магнетита

Fe + CO = FeO + CO 3Fe + CO = Fe O + CO

Дальнейшее развитие процесса окисления до получения ок­сида железа Fe O в атмосфере диоксида углерода или водяного пара не происходит. В этом случае окалина состоит только из двух слоев вюстита и магнетита.

Цель работы

1) изучение процесса окисления железа диоксида углерода

2) определение состава равновесной газовой фазы;

3) определение состава оксида, полученного в результате реакций окисления.

Методика и аппаратура

Изучение процесса окисления железа осуществляется дина­мическим методом. Через слой стружки технического железа при определенной температуре пропускают очень медленно струю ди­оксида углерода. Изменение в составе газовой фазы, происходя­щее в результате окисления железа, определяют путем анализа газообразных продуктов реакции. Полученные данные приближаются к равновесным значениям состава газа и позволяют судить о тех оксидах на поверхности железа, относительно ко­торых газовая фаза стремится к равновесию.

Установка для проведения опыта состоит из реакционной трубки 1, наполненной железной стружкой, газовой бюретки 2, поглотителя 3 и трехходового крана 4, который позволяет нап­равлять газовую смесь в бюретку или на выход из прибора через промывную склянку 8.

Реакционную трубку нагревают трубчатой печью 5, включенной в электрическую сеть через автотрансформатор или ре­остат. Температуру в печи измеряют термопарой с гальваномет­ром 7.

Порядок выполнения работы

Кран 4 устанавливают в положение, при котором газовая бюретка 2 соединяется с атмосферой. При помощи уравнительной склянки 9 заполняют газовую бюретку 2 раствором хлористого натрия до верхней метки. После этого кран 4 перекрывают так, чтобы реакционная трубка 9 была соединена с промывной склян­кой 8, установленной при выходе газа из прибора. Воздух из прибора вытесняется при пропускании через установку в течение 10 мин диоксида углерода, которая получается в аппарате Киппа.

Трубчатую печь включают в сеть и нагревают ее до задан­ной температуры (750 - 850 С). Температура поддерживается в печи постоянной в течение всего опыта при помощи автотранс­форматора или реостата. По достижении заданной температуры вводят в прибор диоксид углерода с такой скоростью, чтобы в промывной склянке 8 пузырьки газа проходили примерно по одно­му в секунду. Скорость поступления газа (5-7 мм в мин).

Через 10 мин после установления необходимых температуры и скорости прохождения газа при помощи крана 4 соединяют бю­ретку только с реакционной трубкой и очень медленно (за 1мин

- 1 мл газа) отбирают в бюретку порцию газа и затем удаляют его через промывную склянку в атмосферу. Эту операцию по про­мывке системы повторяют 2-3 раза.

После этого указанным способом отбирают на анализ опре­деленный объем газа (25 мл за 25 мин), а кран 4 устанавливают так, чтобы газ выходил в атмосферу.

Анализ газа производят поглощением угольного ангидрида в растворе щелочи в поглотителе 3, открывая кран поглотителя и перегоняя при помощи уравнительной склянки 9 пробу газа из бюретки в поглотитель и обратно из поглотителя в бюретку.

Эту операцию повторяют несколько раз до получения посто­янного значения объема поглощенного газа. Остаток в бюретке после поглощения относят на оксид углерода.

Анализ повторяют 2-3 раза, каждый раз отбирая новую пор­цию газа. Более близкие к равновесным данные могут быть полу­чены при условии малой скорости прохождения диоксида углеро­да, через слой железа и очень медленном отборе пробы газа в бюретку.

Обработка результатов опыта