Giáo trình về Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 3

CHƯƠNG 3 HOÀN NGUYÊN OXIT KIM LOẠI 3-1. Mở đầu Trong thiên nhiên hầu hết kim loại đều nằm dưới dạng hợp chất lẫn trong đất đá bởi vậy muốn nhận được kim loại từ hợp chất của chúng, ta phải tiến hành hoàn nguyên. Ví dụ : Ta nghiên cứu quá trình: MeO + B = Me + BO Ở đây : MeO - oxit kim loại B - Chất hoàn nguyên. Trong thực tế một số kim loại có khả năng tạo thành hợp chất với những hóa trị khác nhau. Ví dụ Fe2O3 , Fe3O4 ,FeO, vậy: 3Fe2O3...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình về Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 3 CHƯƠNG 3 HOÀN NGUYÊN OXIT KIM LOẠI 3 -1. Mở đầu Trong thiên nhiên hầu hết kim loại đều nằm d ưới dạng hợp chất lẫn trong đất đá bởi vậy muốn nhận đ ược kim loại từ hợp chất của chúng, ta phải tiến hành hoàn nguyên. Ví dụ : Ta nghiên cứu quá trình: MeO + B = Me + BO Ở đ ây : MeO - oxit kim lo ại B - Chất hoàn nguyên. Trong thực tế một số kim loại có khả năng tạo thành hợp chất với những hóa trị khác nhau. Ví dụ Fe2O3 , Fe3O4 ,FeO, vậy: 3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2 Các phản ứng không cho ta kim loại, mà chỉ có biến đổi từ oxit kim lo ại hóa trị cao đến hóa trị thấp. Quá trình như vậy cũng gọi là phản ứng hoàn nguyên. Vậy hiểu một cách chính xác và rộng rãi thì hoàn nguyên là quá trình giảm hóa trị của nguyên tố nào đó. Nếu viết phản ứng d ưới dạng ion : Me2+ + B = Me + B2+ Phản ứng này nêu lên b ản chất của sự hoàn nguyên là quá trình trao đổi điện tử giữa chất đ ược hoàn nguyên và chất ho àn nguyên: chất được ho àn nguyên kết hợp với điện tử, còn chất ho àn nguyên cho điện tử. Như vậy rõ ràng, quá trình hoàn nguyên cũng đồng thời là quá trình oxy hóa. Đó là hai quá trình thuận nghịch và tùy điều kiện mà cân bằng phản ứng có thể dịch chuyển về phía hoàn nguyên hay oxy hóa và cũng tùy theo nhiệm vụ kĩ thuật mà chúng ta chỉ có thể nghiên cứu quá trình hoàn nguyên ho ặc oxy hóa một cách đơn thuần. Áp su ất phân ly của oxit kim loại thường rất nhỏ, cho nên không thể d ùng phương pháp nung nóng trực tiếp để sản xuất kim loại mà phải dùng phương pháp hoàn nguyên. Trong hoàn nguyên điều quan trọng là phải chọn đ ược chất ho àn nguyên thích hợp, vừa đảm b ảo quá trình hoàn nguyên xẩy ra nhanh vừa rẻ tiền. 3.2. Nhiệt động học quá trình hoàn nguyên oxit kim loại không bay hơi 3. 2 -1. Nguyên lí chung của quá trình hoàn nguyên Phản ứng: Go(1) (1) 2MeO = 2Me + O2 Go(2) (2) 2 BO = 2B + O2 MeO + B = Me + BO Go(3) (3) Ở đ ây B là chất hoàn nguyên PB2 .PO2 K P(1)  PO2 , Kp(2) = 2 PBO 1 Go(3) = (Go(1) - Go(2) 2 - Điều kiện hoàn nguyên: Go(3) < 0, do đó Go(1) - Go(2) < 0 ; Go(1) < Go(2) Go(1) = - RTln PO2 (MeO) Hay Go(2) = - RTln PO2 (BO) 1 Go(2) = [ RT ln PO2 ( MeO)  RT ln PO2 ( BO ) ] 2 RTln P 2 – RTln PO2 (MeO) < 0 Vậy (BO) O PO2 (BO) < PO2 (MeO) Điều kiện cho quá trình hoàn nguyên xẩy ra là ái lực hóa học của kim loại đối với oxy phải yếu hơn ái lực hóa học của chất hoàn nguyên đ ối với oxy. Hay áp suất phân ly oxy của oxit kim loại p hải lớn hơn áp suất phân ly của chất ho àn nguyên. Điều kiện oxy hóa. PO2 (MeO) < PO2 (BO) Go(1) > Go(2) - Điều kiện cân bằng  Để đánh giá và so sánh ái lực hóa học của các chất đối với oxy người ta thường biểu diễn sự p hụ thuộc G0(T) của các chất vào nhiệt độ. Những kim loại này hay cacbon và oxit cacbon có ái lực với oxy mạnh hơn ( GoT thấp hơn) so với kim loại khác thì có thể d ùng kim lo ại đó hay C, CO làm chất ho àn nguyên. Một cách cụ thể và thực tế hơn, đ ể đánh giá tính hoàn nguyên của các nguyên tố thường gặp trong luyện kim đen người ta thường lấy sắt làm cơ sở để so sánh, vì sắt là sản phẩm chủ yếu của quá trình nấu luyện hoàn nguyên. Có nhiều phương pháp hoàn nguyên oxit kim loại. Trong sản xuất, việc lựa chọn phương p háp hoàn nguyên cho một kim loại nào đ ấy dựa trên nguyên tắc xem xét tính chất của quặng (chủ yếu xem xét kim loại ở dạng hợp chất nào), tính chất của kim loại và chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật. Thực tế đ ã có những phương pháp sản xuất kim loại như sau: - Dùng chất khí làm chất ho àn nguyên: gọi là hoàn nguyên gián tiếp bao gồm khí CO, H2 - Dùng chất cacbon để ho àn nguyên, gọi là hoàn nguyên trực tiếp. - Dùng kim lo ại này đ ể hoàn nguyên oxít kim loại khác, thường gọi là phương pháp hoàn nguyên nhiệt kim loại. Ví dụ, dùng p hương pháp nhiệt nhôm để sản xuất Ferô, dùng phương pháp nhiệt silic để sản xuất Manhê từ Đolomit . . . Dùng hợp chất này đ ể ho àn nguyên hợp chất khác. Ví dụ, đi ...