Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали
Шрифт:
Введение
В монографии по-видимому впервые затронута тема описания механизмов неорганических реакций железа, происходящих в процессах выплавки чугуна и стали.
В существующей литературе по физике металлов приводятся только структурные формулы железоуглеродистых сплавов и оксидов железа, а также подробно описаны физические взаимодействия перегруппировки атомов железа при перестройке кристаллической решетки.
В литературе по выплавке чугуна и стали реакции железа описаны химическими брутто-формулами, не показывающими механизм химического взаимодействия.
В неорганической химии существует описание механизмов реакций для координационных соединений железа – для отдельных молекул, окруженных жидким
__
В монографии выполнено обоснование механизмов химических реакций выплавки чугуна и стали на основании междисциплинарного анализа данных литературного обзора разделов металлургии, физики металлов, квантовой химии, теоретической неорганической химии,
Работа является первой попыткой рассмотреть с химической точки зрения указанную тематику и выполнить общее теоретическое основание. Работа не является классической публикацией с квантово-механическими расчетами и обсуждением экспериментальных данных.
Цель работы достигнута, результаты изложены в разделе заключения.
__
Работа посвящается БОГУ ТВОРЦУ ТРОИЦЕ,
выражаю благодарность моей маме, работавшей инженером нефтяного машиностроения.
Конфигурация атома железа
Электронная оболочка атома железа в основном состоянии [1]:
Энергетический уровень элемента (значение энергии квантовой системы) – N, терм – 5D4 (обозначение символами спектров).
Как видно их схемы, энергия 3d– орбиталей ниже, чем 4p– орбиталей. В соответствии с правилом Хунда суммарное спиновое число должно быть максимальным, то есть при заполнении одним электроном одной орбитали, а затем заполнение вторым электроном орбиталей, имеющий один электрон. На основании этого правила в атоме железа 3d– орбитали имеют по 1 электрону.
Конфигурация орбиталей атома железа:
К Eg конфигурациям относятся
Наложением d-орбиталей получается без s- и p-получается следующая графика:
Орбиталью является решение квантово-механического уравнения. Орбиталь является областью пространства с наиболее вероятным расположением электрона. Электрон является одновременно частицей и волной, что присутствует в квантово-механических расчетах.
Квантово-механический расчет металлической связи для модели свободных электронов приведен в работе А. Зоммельфельда [2]. Орбиталь металлической связи получена в виде плоской волны, как показано на рисунке ниже:
Кристаллическая
Схема перестройки решеток подробно рассмотрена в монографии Уманского [3]. Так, например, показана схема изменения конфигурации гранецентрированной решетки на объёмно-центрированную решетку то есть при -> превращении [3,с.244]:
На рисунке слева приведена сдвоенная ячейка -фазы (аустенита). Такая схема показывает, что выделенные узлы перейдут в конфигурацию решетки -фазы (мартенсита). Для превращения решеток требуется выполнения условия одинакового количества атомов железа и минимальные суммы квадратов деформаций по главным осям.
Уманский в работе [24,с.71] приводит данные об отклонении d-орбиталей от симметрии в поле вокруг атома железа в кристаллической решетке. Так заряд d-орбиталей распределяется по Уманскому в виде конфигурации Eg с концентрацией вдоль ребер куба и в виде конфигурации Т2g с концентрацией вдоль диагоналей куба. Плотности магнитных электронов не обладают сферической симметрией по отношению к ядру железе [24,с.72].
Уманский приводит диаграммы распределения плотности магнитных спинов вдоль граней куба и вдоль диагонали [24,с.77]:
Как видно из рисунка, контурные линии одинаковой спиновой плотности вокруг ядра не являются окружностями. Малая плотность посередине показывает о наличии сжатия плотности в направлении пространственной диагонали в куба.
Уманский приводит диаграммы разности магнитной плотности между теоретической сферической конфигурацией и измеренной экспериментально [24,с.78]:
На диаграммах видна малая плотность посередине между атомами железа. На грани куба плотность избыточная, в диагональном направлении плотность недостаточная.
Уманский отмечает [24,с.14], что представление о расщеплении d– орбитали под действием кристаллической решетки на Eg и T2g уровни является ошибочным. Так как экспериментальная полоса для 3d-уровня получается существенно шире, чем расщепление от одного кристаллического поля. Экранирование свободными электронами полосы проводимости ионных полей уменьшаем симметричную часть локального потенциала решетки.
Распределение электронной плотности и заряда d-электронов в металле почти такое же как в изолированном атоме железа [24,с.15]. В т.ч. по причине электростатического равновесия. Волновые функции у нижнего края d-полосы сильно гибридизированы волновыми функциями полосы проводимости. За счет этого объясняется уменьшение числа электронов с семи в изолированном атоме до шести в металле. Истинная полоса проводимости содержит один электрон на один атом.
__
Механизмы реакций в неорганической химии описываются наглядно только для структуры веществ, описываемой орбиталями гантелевидной формы. Под механизмом реакции понимается последовательность промежуточных частиц от сырья до продукта реакции.