Константин Ефанов - Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали

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 растворителем. А химические реакции оксидов железа железа при выплавке чугуна описываются как в литературе по металлургии только брутто-формулами.

__

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.

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 E_>g 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 решетка железа [7]:

Схема перестройки решеток подробно рассмотрена в монографии Уманского [3]. Так, например, показана схема изменения конфигурации гранецентрированной решетки на объёмно-центрированную решетку то есть при γ→α превращении [3,с.244]:

На рисунке слева приведена сдвоенная ячейка γ-фазы (аустенита). Такая схема показывает, что выделенные узлы перейдут в конфигурацию решетки α-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 E_>g с концентрацией вдоль ребер куба и в виде конфигурации Т_>2g 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 E_>g и T_>2g 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.

Можно увидеть два непротиворечащих друг другу подхода – физический, описывающий свойства металла (проводимость и др.) и химический. Объяснение механизмов реакций возможно только при использовании химического подхода с описанием структур молекул и химической связи с использованием гантелевидных орбиталей. Такой подход применен Полингом [1].

Отметим, что при описании процессов органических реакций на металлическом катализаторе в нефтепереработке, используют описание структур гантелеобразными орбитами. То есть для атомов металла, на которые адсорбируется органическая молекула, применяется орбиталь как в координационном соединении. За счет связи с орбитой металла, связи в органической молекуле ослабляются и становится возможной протекание химической реакции.

По первой модели металлической связи Друда можно сделать резюме, что валентные электроны атомов железа становятся общими для всей решетки. То есть атом теряет индивидуальные свойства. Для химических реакций необходим обратный процесс восстановления индивидуальных свойств, то есть валентных электронов и гантелевидных орбиталей.