Явления в жидких средах и на поверхностях раздела фаз

В зоне сварки плавлением весьма важное значение имеют процессы, протекающие в жидких фазах и на границе раздела фаз. Фазой в физической химии называется однородная часть системы, отделенная от других ее частей видимыми поверхностями раздела. Фазой в зоне сварки являются газовая среда, жидкий металл, жидкий шлак, твердый металл.

12.1 Растворение газов. Допустим, что есть двухфазная система, состоящая из газовой и жидкой фаз, и один из компонентов газовой фазы может растворяться в жидкой фазе.

При заданной температуре скорость растворения газа в жидкой фазе можно считать пропорциональной его парциальному давлению Р в газовой фазе, а скорость его удаления из жидкости v – пропорциональной его концентрации С в жидкой фазе. Для равновесных условий, когда v₁ = v₂ , получим

k₁ Р = k₂С, или С/Р = k₁/k₂, т. е. С = kР , где (12.1)

k – константа Генри, определяющая растворимость газа в жидкости при данной температуре, k = k₁/k₂

Р – парциальное давление газа в газовой фазе, атм.

Эта зависимость была установлена Генри и названа законом Генри. Закон Генри справедлив лишь при малой растворимости и в том случае, если растворенный газ не вступает с жидкостью в химические реакции. Этот закон применим к идеальным и разбавленным растворам, и допускает любой способ выражения концентрации (моль/л, мольные доли и др.)

В жидком металле растворяются газы, находящиеся в атомарном состоянии, и те из них, которые имеют незаполненные валентные оболочки (H, N) и не образуют с металлом ионных связей (подобно кислороду). Обычным состоянием таких газов, является молекулярное, поэтому перед растворением должна пройти их диссоциация, то есть

с константой равновесия , то есть

Подставляя значение парциального давления газа в уравнение (54) получим зависимость, известную как закон Сивертса:

(12.2)

Здесь – константа растворимости, она зависит от температуры и природы растворителя.

Зависимость от температуры та же, что и константы равновесия химической реакции:

Где – изменение энтальпии при растворении.

При растворении газов в жидком металле в большинстве случаев ΔН > 0, поэтому с повышением температуры их растворимость возрастает. Количество растворяющегося газа зависит от температуры следующим образом

, (12.3)

где a, k – константы

Е – теплота растворения

Т – абсолютная температура.

Из уравнения (12.3) следует, что с увеличением температуры металла повышается растворимость в нем газа. Однако нельзя забывать, что при температурах, близких к температуре кипения металла, растворимость газа заметно падает и с переходом металла в состояние кипения становиться равной нулю.

12.2 Закон распределения вещества в несмешивающихся растворителях

Рассмотрим систему, состоящую из двух жидких фаз А и В, не растворяющихся одна в другой, и третьей – газовой фазы, один из компонентов которой может растворяться как в фазе А, так и в фазе В.

В соответствии с законом Генри можно записать, что концентрация газа в каждой из фаз при одной и той же температуре:

,

откуда следует, что

(12.4)

Постоянная L называется коэффициентом или константой распределения, и это соотношение является математическим выражением закона распределения Нернста. Этот закон применим к веществу, находящемуся в любом агрегатном состоянии. Формулировка закона распределения такова: «Каждое вещество распределяется между двумя растворителями так, что отношение концентраций его в обоих растворителях остается постоянным».

В зоне сварки плавлением имеются два несмешивающихся растворителя – это жидкие металл и шлак. Способность некоторых соединений растворяться в этих двух фазах используется для очистки металла от таких соединений. Так при сварке сталей в жидком металле может образовываться монооксид железа, ухудшающий все свойства стали. Монооксид железа хорошо растворим и в металле и в шлаке, его распределение подчиняется закону Нернста:

Уменьшение свободной закиси железа в шлаке вызовет уменьшение ее содержание в металле. На этом основано диффузионное раскисление металла. Таким же образом можно освободиться от серы в металле.