Сформулировать условия, при которых металл может быть применен для восстановления оксида другого металла? Приведите примеры.

Металлотермия — восстановление металлов из их соединений другими металлами, химически значительно более активными, чем восстанавливаемые, при повышенных температурах.

Металлотермия, как правило, дороже, чем восстановление углеродом, и применяется в тех случаях, когда восстановление углеродом невозможно или приводит к загрязнению сплава карбидами.

Применяется, например, для восстановления вольфрама, марганца, молибдена, титана, хрома. Металлотермию используют для производства некоторых цветных и редких металлов. Металлотермическому восстановлению подвергаются: оксиды, фториды, хлориды металлов и изредка сложные смеси оксидов и галогенидов, или непосредственно руды.

Частными случаями металлотермии являются алюминотермия (алюмотермия) и магнийтермия. Как восстановители применяют также кремний (обычно в виде ферросилиция), кальций, барий, натрий, литий, лантан и др.

Выбор металла-восстановителя определяется многими условиями. Необходимо, чтобы он не образовывал с восстанавливаемым металлом сплавов и соединений, а избыток восстановителя и шлак легко отделялись от восстанавливаемого металла. Иначе чистого металла не получится. Кроме того, стоимость полученного продукта должна оправдывать расходы на восстановитель, особенно в случаях многотоннажного производства.

Для определения возможности металлотермической реакции и расчёта температуры равновесия между металлом, кислородом и соответствующим оксидом используются диаграммы Эллингема.

Алюминотермия - способ получения металлов, неметаллов (а также сплавов) восстановлением их оксидов металлическим алюминием:

2Al + Cr2О3 = Al2О3 + 2Cr;
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3

При этой реакции выделяется большое количество теплоты, смесь нагревается до 1900-2400 °C.

Возможность восстановления металлов определяется изменением свободной энергии при реакции: MeO+B=Me+BO, где MeO- оксид металла, B – восстановитель. Если при данной реакции (при постоянных температуре и давлении) сумма свободных энергий Me и BO меньше, чем MeO и B, то процесс протекает слева направо с образованием металла. Процесс облегчается, если конечный продукт – металл- находится в виде раствора (твердого или жидкого), так как растворение сопровождается уменьшением свободной энергии. Этим объясняется, что при восстановлении металлов из некоторых особенно прочных оксидов получают в качестве конечных продуктов соответствующие сплавы. Таким образом, для восстановления металлов необходимо наличие определенного термодинамического стимула. Наряду с этим большое значение имеют и кинетические условия восстановления, которые определяются кристаллохимическими превращениями (в случае твердых оксидов), механизмом химических реакций на границах фаз, условиями массопереноса реагентов, например, диффузией.

23. В закрытую систему поместили оксид никеля и твердый углерод при температуре 1500 ^oС. Какие фазы могут присутствовать в системе после достижения состояния равновесия. Рассмотреть варианты с избытком и недостатком углерода.

С= 0 = 3-Ф+2, т.е. Ф= 5.

Ni NiO C CO CO₂

24. В лабораторной установке производится окисление сульфида свинца чистым кислородом при температуре 1000 ^оС в закрытой системе. Какие фазы могут находиться в системе при достижении равновесного состояния?

2PbS + 3O₂ 2PbO + 2SO₂

Реакция взаимодействия сульфида свинца(II) и кислорода с образованием оксида свинца(II) и оксида серы(IV). Реакцию проводят при температуре около 1200°C [8], при ограниченной подаче кислорода.

С точки зрения строения шлака объясните влияние температуры на величину его вязкости, поверхностного натяжения и плотности. Объясните влияние содержания кремнезема в шлаке на величину содержания меди в шлаке в форме раствора при равновесии шлака с медным штейном.

С повышением температуры плотность промышленных шлаковых расплавов прямо пропорционально понижается.

Температурная зависимость поверхностного натяжения шлаковых расплавов раскрывает особенности строения жидких шлаков. Наблюдается аномальное возрастание величины поверхностного натяжения при повышении температуры, которое связано разукрупнением кремнекислородных комплексов вследствие ослабления внутренних связей, а также с уменьшением микронеоднородности и поверхностной активности. При достижении очень высоких температур, когда все комплексные ионы распадутся на составляющие, поверхностное натяжение шлака с ростом температуры будет снижаться, т.е. подчиняться закономерностям нормальных жидкостей.

Температурная зависимость вязкости шлаковых расплавов от состава проявляется различно. На практике шлаки иногда характеризуются как кислые (>40%SiO₂) или как основные. Малая подвижность крупных жесткосвязанных кремнекислородных анионов в таких расплавах затрудняет процесс кристаллизации. Это отражается в том, что по достижении температуры ликвидуса шлак ведет себя как переохлажденная жидкость. вязкость расплава плавно повышается с понижением температуры и после достижения ликвидуса. Совершенно по-другому ведет себя основной шлак с низкой концентрацией кремнезема. Кремнекислородные анионы представлены в таком расплаве более простыми ассоциациями. Подвижность шлака высокая. При достижении температуры ликвидуса наступает быстрая кристаллизация шлака в результате выпадения из расплава тугоплавких составляющих.