Активность кислорода в жидком железе

– Задача. Определить активность и коэффициент активности кислорода в расплавах Fе–О по данным о химическом равновесии расплава с паро-водородной смесью:

Н_{2 (г)} + [О] = Н₂O_(г). (1.21)

– Исходные данные. Расплав железа, содержащий кислород, приводится в равновесие с паро-водородной смесью. Отношения в зависимости от концентрации растворенного в железе кислорода и температуры приведены в таблице (по данным В.В. Аверина).

– Звездочкой отмечены насыщенные растворы кислорода в железе (на поверхности металлического расплава образуется пленочка FеО).

– Теория. Константа равновесия реакции (1.21)

. (1.22)

Зависимость отношения от концентрации и температуры

[% O]	p H2O/ p H2	[% O]	p H2O/ p H2	[% O]	p H2O/ p H2	[% O]	p H2O/ p H2
T = 1824 K	T = 1847 K	T = 1870 K	T = 1894 K
0,0305	0,135	0.0344	0.132	0.0420	0.132	0.0451	0.132
0,0412	0,184	0.0385	0.132	0.0438	0.132	0.0630	0.185
0,1031	0,434	0.0464	0.184	0.0565	0.185	0.0647	0.185
0,1405	0,544	0.0898	0.322	0.1040	0.322	0.1187	0.322
0,1520	0,598	0.0887	0.322	0.1047	0.322	0.1140	0.322
0,1711	0,651	0.1570	0.540	0.1444	0.426	0.1593	0.426
		0.1600	0.540	0.1763	0.540	0.2100	0.540
		0.1697	0.598	0.1787	0.540	0.2112	0.540

– Для расчета активности кислорода должны быть известны отношения и значения K. Константа равновесия химической реакции зависит только от температуры. Если в качестве стандартного состояния принять разбавленный идеальный 1 %-ный раствор [О], то величину K можно определить по данным в области разбавленных растворов, где f _[O] = 1 и a _[O] = [% О]. Для этих растворов

. (1.23)

– Комбинируя уравнения (1.22) и (1.23), определяем активность и коэффициент активности кислорода.

– Решение. Для определения константы равновесия реакции (1.21) строим зависимости отношения от концентрации растворенного в железе кислорода. Экстраполяцией экспериментальных кривых к точке [ % О] = 0 находим значения K, равные при температурах 1824, 1847, 1870, 1894 К соответственно 4,395; 3,705; 3,220 и 2,805. Активность кислорода в зависимости от состава и температуры вычисляем по уравнению (1.22). Например, при [% О] = 0,1405 и
Т = 1824 К = 0,544 (см. исходные данные), K = 4,395

= 0,544/4,395 = 0,124.

– Отсюда f _[O] = a _[O]/[% O] = 0,124/0,1405 = 0,881. Результаты расчета f _[O] приведены на рисунке.

–

f [O]

Примечания. 1. Растворы кислорода в жидком железе характеризуются слабыми отрицательными отклонениями от закона Генри (f _[O] < 1).

– 2. Отклонения от закона Генри уменьшаются с повышением температуры; по мере повышения температуры раствор приближается к идеальному разбавленному раствору (f _[O] ® 1).

– Просуммировав реакцию (1.21) с реакцией образования водяного пара (H_2(г) + O_2(г) = H₂O_(г)), можно определить термодинамические свойства процесса растворения газообразного кислорода в жидком железе ( O_2(г) = [O]).