Представление об ионном строении шлака
На сегодняшний день ионная теории признана большинством экспертов. Данная теория была предложена в 1916 году В.А. Ванюковым, однако особый вклад в развитие внес О.А. Есин и команда научных сотрудников под его руководством. Теория основывается на определении шлака, как раствора ионов (отрицательно и положительно заряженных частиц). За столетний период развития теории было проведено множество практических исследований, которые полностью подтверждают нахождение ионов в шлаках. Вот лишь некоторые экспериментальные данные, доказывающие данную теорию:
• Рентгеноструктурный анализ отображает наличие кристаллических решеток у большинства минералов, на узлах этих решеток располагаются комплексные либо простые ионы. До сих пор не доказано, что при плавлении ионы образуют электронейтральные частицы – ионы соединяясь приобретают более свободную структуру, тем самым становятся четко индивидуальными.
• После плавления шлаки становятся электровозными, однако их электропроводность ниже, чем у металлических соединений и значительно выше, чем у жидких изоляторов, которые образуются множеством молекул. Далее приведена таблица со средними значениями электропроводности отдельно взятых веществ в жидком состоянии.
Из приведенной выше таблицы видно, что шлаки в жидком состоянии являются проводниками второго разряда, то есть они представляют собой ионные проводники.
• Шлаки в жидком состоянии могут подвергаться электролизу, а также они могут подвергнуты осаждению на катоде определенного вещества. Приведем пример: железо участвует в следующем процессе: Fe2++2e→FeТв. Так как шлаки являются ионными проводниками происходит электрошлаковый процесс.
Существуют и другие примеры экспериментов, доказывающие ионную природу шлаков.
То, что в расплавленных шлаках электрода содержатся заряженные частицы, не опровергает наличие в шлаках ковалентных связей. Приведем пример: ковалентные связи появляются при объединении крупных комплексов кремнекислородных и фосфорнокислородных веществ. В шлаках могут располагаться как сложные SiO4-4 или Si2O4-6, так и простые Fe2+, Ca2+ и O2- ионы.
Большинство шлаков, содержащих малое количество кремнезёма (до 12 %), по данным исследований Самарина и Шварцмана, состоят из простых ионов: катионов металла и кислорода. Такие шлаки (состоящие из простых ионов) равномерно распределяются в объеме таким образом, что рядом с ионом одного заряда находится ион или несколько другого заряда – такое явление называется совершенным ионным раствором.
В сложных шлаковых растворах наоборот происходят значительные отклонения от совершенного вида ионных растворов (к таким растворам относят шлаки сталеплавильного и ферросплавного изготовления). По исследования Есина видно, что такого рода отклонения от совершенных ионных расплавов происходят из-за различий энергии взаимодействия катионно-аннионных пар в шлаковых системах. Разный тип энергии взаимодействия приводит к неравномерному распределению отдельно взятых ионов в сложных ионных расплавах. Приведем пример: в основных шлаках ионы Са2+ (по данным исследований Есина) должны находиться рядом с ионами SiO4-4, ионы же Fe2+ должны располагаться вблизи O2-. Таким образом, реальные шлаки по сравнению с совершенными ионными растворами – это микроскопические неоднородные электролиты.
Сложности при термодинамических расчетах ионной природы шлаков возникают из-за неграмотного определения активности отдельных компонентов. Именно поэтому в металлургической литературе применяются уравнения, полученные из предположений о молекулярном строении шлака (они имеют значительные недоработки). В любом случае, определение физико-химических процессов должно опираться на ионное строение шлака.
• Рентгеноструктурный анализ отображает наличие кристаллических решеток у большинства минералов, на узлах этих решеток располагаются комплексные либо простые ионы. До сих пор не доказано, что при плавлении ионы образуют электронейтральные частицы – ионы соединяясь приобретают более свободную структуру, тем самым становятся четко индивидуальными.
• После плавления шлаки становятся электровозными, однако их электропроводность ниже, чем у металлических соединений и значительно выше, чем у жидких изоляторов, которые образуются множеством молекул. Далее приведена таблица со средними значениями электропроводности отдельно взятых веществ в жидком состоянии.
|
Металлы |
105 – 106 |
|
Соли |
10-1 – 10 |
|
Шлаки |
10-3 – 1 |
|
Изоляторы |
10-6 – 10-5 |
Из приведенной выше таблицы видно, что шлаки в жидком состоянии являются проводниками второго разряда, то есть они представляют собой ионные проводники.
• Шлаки в жидком состоянии могут подвергаться электролизу, а также они могут подвергнуты осаждению на катоде определенного вещества. Приведем пример: железо участвует в следующем процессе: Fe2++2e→FeТв. Так как шлаки являются ионными проводниками происходит электрошлаковый процесс.
Существуют и другие примеры экспериментов, доказывающие ионную природу шлаков.
То, что в расплавленных шлаках электрода содержатся заряженные частицы, не опровергает наличие в шлаках ковалентных связей. Приведем пример: ковалентные связи появляются при объединении крупных комплексов кремнекислородных и фосфорнокислородных веществ. В шлаках могут располагаться как сложные SiO4-4 или Si2O4-6, так и простые Fe2+, Ca2+ и O2- ионы.
Большинство шлаков, содержащих малое количество кремнезёма (до 12 %), по данным исследований Самарина и Шварцмана, состоят из простых ионов: катионов металла и кислорода. Такие шлаки (состоящие из простых ионов) равномерно распределяются в объеме таким образом, что рядом с ионом одного заряда находится ион или несколько другого заряда – такое явление называется совершенным ионным раствором.
В сложных шлаковых растворах наоборот происходят значительные отклонения от совершенного вида ионных растворов (к таким растворам относят шлаки сталеплавильного и ферросплавного изготовления). По исследования Есина видно, что такого рода отклонения от совершенных ионных расплавов происходят из-за различий энергии взаимодействия катионно-аннионных пар в шлаковых системах. Разный тип энергии взаимодействия приводит к неравномерному распределению отдельно взятых ионов в сложных ионных расплавах. Приведем пример: в основных шлаках ионы Са2+ (по данным исследований Есина) должны находиться рядом с ионами SiO4-4, ионы же Fe2+ должны располагаться вблизи O2-. Таким образом, реальные шлаки по сравнению с совершенными ионными растворами – это микроскопические неоднородные электролиты.
Сложности при термодинамических расчетах ионной природы шлаков возникают из-за неграмотного определения активности отдельных компонентов. Именно поэтому в металлургической литературе применяются уравнения, полученные из предположений о молекулярном строении шлака (они имеют значительные недоработки). В любом случае, определение физико-химических процессов должно опираться на ионное строение шлака.