Меню

Сжигание меди в кислороде

Сжигание меди в кислороде

5. Взаимодействие меди и ее сплавов с кислородом, водородом

Диаграмма состояния системы медь — кислород

Диаграмма состояния меди с кислородом [до 60% (ат.) O2] по обобщенным литературным данным [21, 22] приведена на рис. 35, f. В системе существуют следующие фазы: твердый раствор на основе меди — до 0,03% (ат.) O2 при 1066 °С, Cu2O при 33,3% (ат.) O2, Cu4О3 при 42,9% (ат.) O2. На рис. 35,6 показана диаграмма состояния этой системы в координатах lgpO2 — Т, где рO2— парциальное давление кислорода, Па; Т — температура, К. Эта диаграмма позволяет судить о стабильности различных фаз: твердого раствора на основе меди — Cu(c), Cu2O (с) — куприта,CuО(с) — тенорита. При нагреве на воздухе (lg pO2= — 0,67) CuО диссоциирует при 1031 °С с образованием Cu2O, которая плавится конгруэнтно при 1134 °С.


Рис. 35. Диаграмма состояния сплавов системы медь — кислород

Кислород в меди и медных сплавах

( Чурсин В. M. Плавка медных сплавов (Физико-химические и технологические основы). — М.: Металлургия. -1982. -152 с.)

Растворение кислорода в меди можно описать уравнением

Константа равновесия реакции окисления

где aO, fO — активность и коэффициент активности кислорода в меди соответственно; СO — концентрация кислорода, % (ат.).

Коэффициент активности кислорода ƒ 0 O уменьшается с увеличением концентрации кислорода и понижением температуры расплава. В соответствии с полученными экспериментальными данными значения ƒ 0 O можно определить из следующего выражения:

В сплавах меди активность кислорода отличается от его активности в чистой меди. Активность кислорода в медных сплавах зависит от сродства элементов или примесей к кислороду (рис. 36) [23]. Большинство элементов, входящих в состав медных сплавов, снижает активность кислорода в расплавах. В сплавах, содержащих элементы, обладающие высоким сродством к кислороду (Al, Si, Мn), активность кислорода очень мала [∼ 10 -6 % (ат.)]. Сплавы, содержащие элементы с меньшим сродством к кислороду (Zn, Fe, Sn, Со, Pb), имеют большее количество кислорода, и его активность составляет 10 -2 . 10 -5 % (ат.). В реальных условиях ведения плавки [при содержании кислорода в меди менее 0,4% (по массе)] коэффициент активности кислорода, учитывающий отклонение системы Cu-О от закона Генри, может быть принят равным единице. В конечном виде активность кислорода в сплаве меди с каким-либо компонентом Хi описывается выражением:

где ƒ xi O — коэффициент активности кислорода, учитывающий влияние элемента; [%O] — концентрация кислорода, % (по массе).


Рис. 36. Зависимость стандартных термодинамических потенциалов образования сплавов в меди от температуры

Для сравнительной оценки влияния различных элементов на активность кислорода в сплавах пользуются показателями параметров взаимодействия [О] и Xi при определенных температурах Т:

где е Xi O, — параметр взаимодействия при концентрации [О], % (по массе).

Параметр взаимодействия и коэффициент активности (которые имеют одни и те же знаки) могут иметь положительные и отрицательные значения в зависимости от природы Xi. На основе формулы (5) коэффициент активности кислорода в бинарном сплаве меди с Хi можно определить по соотношению

Это выражение тем точнее, чем ближе сплав к разбавленным растворам.

На рис. 37 приведены экспериментальные данные о влиянии некоторых элементов на активность кислорода в меди.


Рис. 37. Влияние элементов Хi на активность кислорода в меди при 1423 К

Данные в виде параметров взаимодействия и коэффициентов активности позволяют оценить влияние каждого компонента Xi на активность кислорода в бинарных сплавах Cu-Xi. В табл. 8 приведены активности кислорода аO в бронзах [23].

Читайте также:  С чем сплавляют медь


Таблица 8. Активность кислорода в бронзах при 1473 К

В бронзах, не содержащих цинка, активность кислорода относительно заметна (0,01. 0,02), поэтому эти бронзы необходимо тщательно раскислять, а оловянно-цинковые бронзы содержат очень мало кислорода (aO = 0,001÷0,002), что свидетельствует о заметной раскислительной способности цинка в бронзах.

Раскисление сплавов меди

Экспериментальные значения активности кислорода в сплавах меди позволяют сделать количественную оценку раскислительной способности элементов по отношению к меди [23]. С увеличением содержания элементов Pb, Ni, Sn, Zn, Р, Mn, Cr, В, Fe, Co и других активность кислорода в меди линейно уменьшается. Выделяются сильные раскисляющие способности углерода, фосфора, железа, марганца, хрома, бора, бериллия в меди. К раскис-лителям меди предъявляются следующие требования.

1. Сродство к кислороду у раскислителя R должно быть, выше, чем у меди, т. е. ΔGRO >ΔGCu2O.

2. Раскислитель не должен отрицательно влиять на свойства меди, в первую очередь на его механические свойства.

3. Продукт раскисления (оксид RO или другое соединение) должен хорошо удаляться из металла.

4. Раскислитель должен быть дешевым, недефицитным, легко вводиться в расплав.

При плавке медных сплавов, используемых для ювелирного и художественного литья, фосфор — наиболее часто применяемый раскислитель [в виде фосфористой меди, содержащей 7. 11% (по массе) Р]. Он хорошо растворяется в меди с образованием шлаковой фазы состава х Cu2O·у Р2О5.

Практика многолетней работы показывает целесообразность использования для раскисления небольших присадок фосфора (0,01. 0,1%) почти для всех сплавов меди. Изменение вязкости и поверхностного натяжения оказывает благоприятное влияние на литейные свойства расплава.

Важность раскисления сплавов меди имеет практическое значение при последующей обработке отливок. В меди, раскисленной фосфором, окисный слой независимо от температуры его образования отслаивается легче. В то же время установлено, что ряд элементов (Be, Mg, Al) сильно замедляют окисление меди из-за образования барьерного защитного слоя, тормозящего диффузию кислорода внутрь металла [24]. Заметно замедляют окисление меди кадмий и кремний, а также цинк и олово, но в больших концентрациях. Все это необходимо учитывать при изготовлении отливок из сплавов меди.

Диаграмма состояния системы медь — водород

Экспериментально определены фазовый состав и растворимость водорода в меди [25]. На рис. 38 приведена диаграмма состояния системы медь — водород при давлении водорода 100 мПа. Растворимость водорода в меди зависит от температуры и давления и может быть рассчитана по уравнению

где S TB H — растворимость водорода в твердой меди, см 3 /100 г;

pН2 — парциальное давление водорода, мПа; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); Т — температура, К.


Рис. 38. Диаграмма состояния сплавов системы медь — водород при давлении водорода 100 мПа

Водород в меди и медных сплавах

Водород, растворяясь в меди и сплавах на основе меди, отрицательно влияет на их свойства. Растворимость водорода в жидкой меди в широком интервале температур носит экспоненциальный характер. Процесс растворения водорода в системах Cu-Xi можно выразить уравнением

Константа равновесия процесса

где ƒ Xi H — коэффициент активности водорода в сплаве Cu-Xi при постоянных (одинаковых) температурах и давлении; [Н]Cu-Xi.- растворимость водорода в сплаве Cu-Хi.

Коэффициент активности ƒ Xi H рассчитывают по уравнению

где [Н]Cu — растворимость водорода в чистой меди.

Растворимость водорода в многокомпонентных сплавах можно рассчитывать по формуле, предложенной К. Вагнером [26]:

Читайте также:  Дефлегматор димрота своими руками из меди

где [Н]СПЛ — растворимость водорода в сплавах, см 3 /100 г, при расчетной температуре и рН2 = 0,101 МПа; [Н]Cu— растворимость водорода в чистой меди, см 3 /100 г, при расчетной температуре и рН2 = 0,101 МПа; е Xi H — параметры взаимодействия при расчетной температуре и pН2 = 0,101 МПа; Хi — содержание легирующих компонентов, % (по массе).

Равновесную расчетную растворимость при меньших, реальных парциальных давлениях можно определить по выражению Сивертса: [Н] = КН2H2)1/2, где KH2 = [Н]СПЛ при расчетной температуре и рН2 = 0,101 МПа; pH2 — реальное парциальное давление водорода в плавильной атмосфере.


Рис. 39. Влияние элементов на растворимость водорода в жидкой меди при Т = 1423 К и рН2 = 0,101 МПа

Легирующие элементы в меди могут понижать, повышать или существенно не изменять величину растворимости кислорода в сплавах. Влияние элементов на растворимость водорода в жидкой меди показано на рис. 39 [23]. В системах медь — никель, медь — марганец, медь — железо с увеличением содержания легирующих элементов в сплаве растворимость водорода возрастает. В чистом марганце и никеле растворимость водорода значительно больше, чем в меди. В сплавах медь — никель [до 9% (по массе) Ni] и сплавах медь — марганец [до 18% (по массе) Mn] и в области давлений до 0,101 МПа соблюдается уравнение Сивертса. В сплавах медь — кремний, медь — олово, медь — цинк, медь — свинец растворимость водорода уменьшается. Исследованы следующие концентрационные интервалы, % (по массе): Si — до 10, олова — до 70, цинка — до 27, свинца — до 35. Свинец снижает растворимость водорода в меди особенно заметно в интервале концентраций 1. 5%. Установлено также, что алюминий уменьшает растворимость водорода в сплавах с медью [23].

Источник

Сжигание меди в кислороде

Горение. Окисление

В этом параграфе речь идет:

> о горении и окислении;
> об условиях возникновения и прекращения горения.

Рассмотренные в предыдущем параграфе реакции с участием кислорода сопровождаются одинаковыми внешними эффектами.

Химическую реакцию, во время которой выделяется теплота и появляется пламя, называют горением.

Пламя возникает вследствие свечения раскаленных частиц веществ, которые сгорают или образуются во время реакции.

Для того чтобы горючее вещество воспламенилось, необходимы такие условия:

• наличие кислорода (воздуха);
• нагревание вещества до температуры самовозгорания (для бензина она составляет 220 °С, сухой древесины — 250—300 °С, бумаги — 440 °С, угля — свыше 600 °С).

Это интересно

Кислород поддерживает горение веществ, но сам не горит.

Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, то горение не происходит. Это учитывают во время работы с огнеопасными веществами, а также при тушении пожаров.

Погасить огонь можно, залив горящее вещество или предмет водой, засыпав его песком или землей, накрыв одеялом или направив на него струю углекислого газа (он не поддерживает горения и тяжелее воздуха) (рис. 63).

В лабораториях, на предприятиях с этой целью используют огнетушители (рис. 64).


Рис. 63. Гашение пламени:а — водой; б — песком; в — углекислым газом

► Какие условия, необходимые для горения, будут устранены в каждом способе гашения огня?


Рис. 64. Огнетушитель (а) и его использование (б)

Взаимодействие веществ с кислородом не всегда сопровождается их горением. Большинство таких реакций происходят медленно, иногда — незаметно. Вещество, которое взаимодействует с кислородом, подвергается окислению, т. е. изменяется при участии кислорода.

Читайте также:  Медь под каким номером

Реакция кислорода с медью

Нагрейте на воздухе с помощью спиртовки медную проволоку (или пластинку) с очищенной до блеска поверхностью. Наблюдайте изменение темно-красного («медного») цвета металла на темно­серый или черный вследствие образования на металле пленки продукта реакции меди с кислородом. Это соединение Купрума и Оксигена; его название — купрум(II) оксид.

Составьте формулу соединения и напишите соответствующее химическое уравнение.


Рис. 65. Сильно нагретая алюминиевая проволока

В отличие от меди алюминий реагирует с кислородом даже без нагревания с образованием на его поверхности очень тонкой бесцветной пленки соединения Алюминия с Оксигеном — алюминий оксида.

► Составьте соответствующее химическое уравнение.

Эта реакция быстро и незаметно происходит во время выплавки металла или его механической обработки, но сразу же прекращается, поскольку пленка оксида защищает поверхность алюминия от дальнейшего воздействия кислорода. Наличие оксидной пленки можно подтвердить экспериментально. Если конец алюминиевой проволоки нагреть до температуры, превышающей температуру плавления металла (660 °С), то алюминий, расплавившись, не потечет, а повиснет в «мешочке» из пленки оксида (рис. 65).

Медленным окислением веществ обусловлено появление ржавчины на железе, прокисание молока, прогоркание масла, порча многих других продуктов питания.

Реакции веществ с кислородом, которые не сопровождаются горением, используют в цветной металлургии, химической промышленности.

Кислород, поступая через легкие в организм животного или человека, окисляет различные вещества, в том числе и те, которые постоянно поступают вместе с пищей.

При взаимодействии некоторых веществ с кислородом происходит их горение — химическое превращение с выделением теплоты и появлением пламени.

Условиями, необходимыми для горения, являются наличие кислорода и достижение веществом определенной температуры. Для того чтобы погасить пламя, необходимо устранить хотя бы одно из этих условий.

Любую реакцию вещества с кислородом называют окислением. Многие из таких реакций происходят медленно и не сопровождаются появлением пламени.

147. Какое явление называют горением? Назовите условия, необходи­мые для протекания этого процесса.

148. Можно ли считать, что в электрической лампочке происходит горение металлической (вольфрамовой) нити? Почему?

149. Какие существуют способы гашения пламени?

150. Из представленного перечня свойств вещества выберите те, которые делают его пригодным для гашения пламени: а) жидкое состоя­ние при обычных условиях; б) негорючесть; в) безопасность для ок­
ружающей среды.

151. Сопоставьте термины «горение»» и «окисление»» и укажите, какой из них является более общим. Ответ аргументируйте.

152. Расставьте пропущенные коэффициенты в записях реакций горения:

153. В трех сосудах без этикеток находятся воздух, кислород и углекислый газ. Как можно определить содержимое каждого сосуда?

На дно стакана насыпьте чайную ложку питьевой соды и добавьте 2— 3 столовые ложки уксуса. Сразу начинается реакция с бурным выделением углекислого газа. После того как она закончится (через
2— 3 мин.), зажгите закрепленную на проволоке спичку и медленно опускайте ее в стакан. Что наблюдаете?

Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. — К.: ВЦ «Академія», 2008. — 136 с.: іл.

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.

Источник

Adblock
detector