Вытеснение одних оксидов из химических соединений в шлаках другими

В металлургической практике часто используются понятия вытеснение одних оксидов из шлаков другими. Например:

PbO · SiO₂ + 2FeO = 2FeO · SiO₂ + PbO

2FeO · SiO₂ + 2CaO = 2CaO · SiO₂ + 2FeO

3CaO · P₂O₅ + 3SiO₂ = 3(CaO · SiO₂) + P₂O₅

На основании этого развито представление о сильных и слабых кислотах и основаниях.

Сильные оксиды вытесняют из химических соединений более слабые. Очевидно, что сила кислотного или основного оксида в расплаве может быть измерена максимальной работой образования соединений из оксидов, приближенно её можно вычислить по уравнению Нернста:

A = W₀ – βT²

W₀ – тепловой эффект реакции образования соединений из оксидов

β – коэффициент

Чем больше величина максимальной работы - А, тем более «сильно» основание и тем более прочно его соединение с кислотным оксидом.

Например:

Me´O + SiO₂ = Me´O · SiO₂ + A´

Me´´O + SiO₂ = Me´´O · SiO₂ + A´´

Для реакции взаимодействия с химическими соединениями получили:

Ме´О · SiO₂ + Me´´O ↔ Me´´O · SiO₂ + A´´

Величина максимальной работы равна разности максимальных работ образования Ме´´О · SiO₂ и Me´O · SiO₂ т.е.

А = А´´- А´

Если величина А положительна, то равновесие вышеописанной реакции будет сдвинуто в сторону образования свободного Ме´О, т.е. вправо. Константа равновесия:

будет большой величиной.

Т.о., если к расплаву силиката Me´O · SiO₂ добавить Me´´O, то последний вытеснит Me´O из его соединения, правда, не полностью, а до поступления равновесия. Это мы разобрали с вами вытеснение одних оксидов другими с молекулярной точки зрения.

С точки зрения ионного строения шлаковых расплавов дело выглядит следующим образом. Главное значение имеет проявление растворимостей химических соединений:

Me´O + SiO₂ = Me´O · SiO₂

Me´O ↔ Me´⁺² + O^-2

Me´SiO₃ ↔ Me´⁺² + SiO₃^-2

Lp_Me´SiO3 = C_Me´+2 ·C_SiO3-2

При введении другого оксида в расплаве появляются новые катионы:

Me´´О ↔ Me´´²⁺ + O^2-

При получении в растворе анионов SiO₃^2- будет происходить взаимодействие:

Me´´²⁺ + SiO₃^2- ↔ Me´´SiO₃

Если Lp_Me´´SiO3 меньше чем Lp_Me´SiO3 , то будет происходить образование нового химического соединения Me´´SiO₃. Это вызовет понижение в расплаве концентрации анионов SiO₃^-2, т.к. константа равновесия, равная

является постоянной при данной температуре. Понижение концентрации в растворе анионов SiO₃^-2, вызванное связыванием в новое химическое соединение, компенсируется за счет диссоциации новых позиций Me´SiO₃. Процесс будет идти до тех пор, пока не установится равновесие. В состоянии равновесия сосуществуют следующие 2 обратимые реакции:

 

Me´SiO₃ ↔ Me´²⁺ + SiO₃^2-

 

Me´´SiO₃ ↔ Me´´²⁺ + SiO₃^2-

 

Lp_Me´SiO3 = (Me´²⁺) · (SiO₃^2-)

 

Lp_Me´´SiO3 = (Me´´²⁺) · (SiO₃^2-)

 

В состоянии равновесия отношение активных по концентрации металлов Me´²⁺ и Me´´^2- будет равно:

 

 

а т.к. концентрация аниона SiO₃^-2 для обеих реакций будет одно и то же, т.к. мы имеем дело с одним расплавом, то отношение активных концентраций выразится как отношение произведений растворимости химических соединений.