Материал: Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений.

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

исключением предположения о параболическом законе роста слоя продукта. Эту модель иллюстрирует рис. 86. В соответствии с этой моделью скорость увеличения слоя продукта при односторонней диффузии (В-э-А) в сферическом зерне выражается уравнением

d-r _

с0

dt

10 л:(г0 — х)

Рис. 85. Графические способы проверки применимости кинетического уравнения ЯнДера:

/ — уравнение Яндера применимо; 2 — Уравнение Яндера неприменимо

Интегрирование этого уравнения приводит к выражению

 

 

4

- т т И « ' -

 

 

 

 

Выразив х через степень

превращения G одного из компонен­

 

 

 

тов,

получим

 

 

 

 

 

 

 

1 —

б — (1 — 0 ) 2/3 = k \ i t ,

(И )

 

 

 

известное

в литературе

как у р а в н е ­

 

 

 

ние

Г и н с т л и н г а — Б р о у н ш т е й -

 

 

 

н а.

Следует отметить,

что и уравнение

 

 

 

Яндера (13), и уравнение

(14)

Гинст­

 

 

 

линга — Броунштейна основаны на одном

 

 

 

и том же исходном положении: скорость

 

 

 

твердофазового процесса

 

обратно

про­

 

 

 

порциональна толщине слоя продукта ре­

Рис.

86. Схема твердофазо­

акции. Различие в подходах состоит лишь

вой

реакции между компо­

в том, что В. Яндер рассматривает диф­

нентами А и В по Гинстлин-

фузию, приводящую к образованию про­

 

гу — Броунштейну:

дукта реакции на плоской границе разде­

г0 и

г( — радиус частиц компо­

ла фаз, а Гинстлинг — Броунштейн реша­

нента А в начальный момент

времени и в момент

t соответст­

ют

задачу о диффузии

в

сферическом

венно; х — толщина

слоя про­

зерне.

 

 

 

 

 

дукта реакций

 

 

 

 

310

Модификация уравнения Яндера, предложенная В. Ф. Журав­ левым с сотр., основана на предположении, что скорость твердо­ фазового процесса обратно пропорциональна толщине слоя про­ дукта (как у В. Яндера) и прямо пропорциональна доле диффун­ дирующего компонента, не вступившего в реакцию:

dx

*13D

О - О ) .

(15)

"d7

х

Рис.

87. Схема твердофазо­

Рис.

88. Схема

твердофазо­

вой

реакции между компо­

вой

реакции между компо­

нентами А и В по анти-Ян-

нентами А и В по Вагнеру

деру

(направление диффу­

(направление

диффузии

 

зии А-+-В)

 

А=**В)

Это уравнение учитывает изменение концентрации диффундиру­ ющего вещества по мере протекания реакции. Заменив х на r(i — уг["1 Га) и проинтегрировав (15), получаем

2

— *14*

( у р а в н е н и е Ж у р а в л е в а — Л е с о х и н а — Т е м п е л ь м а - н а).

Все рассмотренные модели и уравнения кинетики твердофазо­ вых реакций были получены, исходя из предположения об обра­ зовании продукта путем односторонней диффузии покрывающего компонента в глубь зерен, покрытых продуктом реакции. По мере изучения все большего числа реакций в смесях твердых веществ выявилось, однако, что могут иметь место: 1) реакции, которые осуществляются за счет односторонней диффузии частиц реагента А через слой продукта наружу к поверхности раздела фаз, где и происходит рост слоя продукта АВ; 2) реакции, когда продукт реакции образуется путем противодиффузии реагентов через слой продукта реакции. В первом случае говорят о модели анти-Янде-

311

ра (рис. 87), а во втором — о модели Вагнера (рис. 88). Очевидно что и для первой, и для второй реакций могут быть выведены со­ ответствующие кинетические уравнения:

[(1 + б)1^3— i]2— ki$t,

l + 2 / 8 0 - ( l + G ) V,= *I6<.

На примере синтеза многих оксидных соединений разных клас­ сов (силикаты, алюминаты, титанаты, ферриты и т. д.) показано, что рассмотренные кинетические уравнения удовлетворительно описывают кинетику отдельных твердофазовых реакций или их стадии, однако ни одно из них не является универсальным. Для одной реакции или стадии процесса подходит одно, а для другой — другое.

1.7. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТВЕРДОФАЗОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ЕГО СКОРОСТЬ

Активное состояние реагентов и его роль в твердофазовых про­ цессах. Специфическая особенность твердых веществ заключается в том, что их реакционная способность не определяется однознач­ но химическим или фазовым состоянием. Она зависит не только от химической или фазовой индивидуальности твердых тел, но и от состояния кристаллической решетки, которая практически всегда имеет те или иные отклонения от идеального состояния из-за на­ личия различного рода дефектов.

Ю. Д. Третьяков предложил считать нормальным такое состо­ яние твердых тел, дефектность которых обусловлена собственной разупорядоченностью решетки, являющейся однозначной функцией параметров состояния. К активным же следует относить состоя­ ния твердых тел, характеризующиеся наличием неравновесных дефектов.

Мерой активности является избыток ее свободной энергии по отношению к фазе тождественного состава, которая находится в нормальном состоянии. Следует отметить, что активность реаген­ тов в конкретном физико-химическом процессе определяется не только абсолютной величиной избытка свободной энергии, но и в значительной степени энергетическим вкладом различных видов структурных несовершенств, включая свободную поверхность, то­ чечные и линейные дефекты (дислокации), микронапряжения и т. д.

Хотя в реальных условиях все виды неравновесных дефектов присутствуют в решетке одновременно, доминирующую роль обыч­ но выполняет какая-либо одна разновидность, вследствие чего степень и природа активности в каждом конкретном случае будут различны.

Направленно варьируя условия обработки реагентов, можно

312

сделать преобладающим один тип дефектов по отношению к дру­ гим и, таким образом, контролируемым образом воздействовать на процессы твердофазового взаимодействия. Практическая значи­ мость такого подхода очевидна, поэтому в настоящее время при­ меняют различные пути для активирования смесей в процессе взаимодействия.

Влияние природы реагентов. Наиболее часто используемыми путями воздействия на ход твердофазовых процессов являются изменения химического и термического прошлого, т. е. способа при­ готовления исходных реагентов.

Многочисленные экспериментальные и практические данные по­ казывают, что реакционная способность определяется как приро­ дой химического процесса, благодаря которому формируется ре­ агент, так и условиями проведения этого процесса.

Ю. Д. Третьяковым это было убедительно продемонстрировано на примере получения порошкообразного оксида железа, исполь­ зуемого в качестве исходного реагента при синтезе ферритов. По­ рошкообразный оксид железа, соответствующий однофазному ге­ матиту, был приготовлен разложением нитрата, карбоната, окса­ лата, сульфата и окислением пентакарбонила железа. В табл. 21 представлены основные результаты исследования влияния спосо­ ба получения на реакционную способность и спекание порошков оксида железа.

Все модельные процессы, использованные для оценки активно­ сти оксида железа, можно разделить на три группы:

1) протекающие без изменения структуры оксидов (катализ, адсорбция);

2)сопровождающиеся полным разрушением структуры оксида железа (растворение в кислотах, ферритообразование);

3)в результате которых структура не разрушается, но значи­ тельно упорядочивается по сравнению с исходным состоянием (спекание).

Из данных табл. 21 видно, что для достижения максимальной адсорбционной и каталитической активности, определяемой в пер­ вую очередь степенью несовершенства формы и общей поверхно­ стью частиц порошка, необходимо, чтобы температура прокалива­ ния (для данного вида сырья) была возможно ниже и близка к температуре формирования гематита, а скорость нагревания до максимальной температуры — максимальной при минимальной продолжительности нагревания. Этим требованиям лучше всего соответствует железо, полученное разложением оксалата.

Скорость процессов растворения и ферритообразованйя опре­ деляется в основном дисперсностью частиц и степенью несовер­ шенства их внутренней структуры. Условия, при которых эти тре­ бования выполняются наилучшим образом, можно сформулиро­ вать так: температура термообработки должна быть возможно ближе к температуре формирования гематита для данной соли и немного ниже температуры ферритообразованйя.

313

Т а б л и ц а 21.

Зависимость между способом получения FeO и его реакционной

способностью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Темпе­

Ката­

 

Продол­

 

 

Пл<УГНОСТЬ,

ХЮ 3 кг/м3 при

 

 

житель­

 

 

 

 

 

 

 

ратура

лити­

Адсорб­

Феррито­

 

 

 

 

 

ность

 

 

 

 

Исходное

про­

ческая

ция кра­

образо­

 

 

 

 

раство­

 

 

 

 

сырье

кали­

актив­

сителя,

вание

при

 

 

 

 

рения в

20°С

1200°С

1250СС

1300вС

 

вания,

ность,

мг/г

500°С,

%

 

°С

%

 

НС1 (1/1),

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Карбонат

400

65,6

0,10

20

73,0

2,07

4,71

4,74

4,84

железа

600

30,5

0,08

60

71,1

4,80

 

850

20,7

0,03

180

65,0

2,88

4,73

4,93

4,98

 

1000

17,6

730

29,1

4,56

4,63

Оксалат

400

68,0

0,11

150

89,2

2,55

4,64

4,70

4,75

железа

600

50,1

0,08

180

83,4

4,62

 

850

27,1

0,02

220

58,1

 

2,81

4,89

4,95

4,97

 

1000

18,5

Не аде.

300

37,0

 

4,86

4,88

Нитрат

400

50,7

0,06

20

97,2

 

2,52

4,20

4,30

 

железа

600

40,2

Не аде.

160

90,9

 

4,41

 

850

11,3

»

520

69,1

 

3,13

4,35

4,49

 

1000

7,1

»

730

41,0

 

4,48

—-*

Пента­

400

60,3

0,08

40

65,3

 

 

 

4,28

4,30

карбонил

600

27,3

0,08

50

61,1

 

4,56

железа

850

26,1

Не аде.

200

46,0

 

4,40

4,44

 

1000

12,0

*

1000

24,2

 

2,98

4,50

4,57

4,75

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сульфат

850

13,0

Не аде.

500

60,2

 

2,98

4,50

4,57

4,75

железа

1000

5.0

»

830

43,1

 

3,20

4,22

4,23

4,50

Лучше других образцов в рассматриваемом плане оказывается оксид железа, полученный разложением нитрата, с участием ко­ торого ферритообразование протекает весьма интенсивно.

Наконец, для успешного протекания процессов третьей группы (спекание) необходимо осуществить термическую обработку так, чтобы температура формирования гематита была возможно выше, а температура термообработки существенно не превышала темпе­ ратуру формирования гематита.

Таким образом, и химизм процесса, и условия его проведения являются теми рычагами, которые позволяют технологу разумно строить как процесс подготовки полупродуктов для получения тех или иных материалов, так и осуществлять синтез веществ с задан­ ным комплексом свойств.

Влияние микродобавок, активирование твердых фаз путем их легирования. Этот способ повышения активности твердых веществ заключается в подборе и введении в состав термообрабатываемой

314

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/76046