Podstawy procesów redukcji

- Większość metali występuje w naturze w postaci związków chemicznym – głównie tlenków.

- W warunkach przemysłowych metale otrzymuje się z rud metodą redukcji – reakcji chemicznej pomiędzy tlenkiem a inną substancją – reduktorem

- jednocześnie utlenia się reduktor (cały proces jest szczególnym przypadkiem reakcji utleniająco – redukujących)

-reakcje cechuje się zmianą stanu wartościowości uczestniczących w nich pierwiastków

Reakcja utleniająco redukująca:

• Me_xO_y + zR = xMe + R_zO_y

• Me_x O_y – tlenek metalu

• R_zO_y – tlenek reduktora

-dla pierwiastków dwuwartościowych

• MeO + R = Me + RO

W postaci ogólnej reakcja redukcji jst sumą dwu reakcji cząstkowych

• 2 R + O₂ = 2 RO; ΔH₁<0

• 2 Me + O₂ = 2 MeO; Δ H₂<0

Odejmując stronami:

• 2(MeO + R = Me + RO); 2 Δ H

Zgodnie z prawem Hessa:

• 2Δ H = Δ H₁ - Δ H₂

Ciepło reakcji redukcji = różnica ciepła tworzenia reduktora i metalu.

Ciepło reakcji to ilość ciepła jaka może się wydzielić w wyniku zmiany energii jaka zachodzi podczas przebiegu reakcji chemicznej (dla danej temperatury)

Podczas przebiegu procesów fizykochemicznych (reakcji chemicznych) zachodzą zmiany energetyczne. Termodynamika

Każda postać materii zawiera pewną określoną ilość energii (zależnie od temperatury, ciśnienia, stanu skupienia)

Jeśli produkty jakiejś reakcji zawierają mniej energii niż substancje wejściowe to podczas przebiegu reakcji ta część energii się wydziela w postaci ciepła (najczęściej) lub wykonania pracy

Reakcja egzotermiczna – z wydzieleniem ciepła

Reakcja endotermiczna – z pobieraniem ciepła z zewnątrz

Całkowita energia materii składa się z części związanej i swobodnej (może być przy stałej temperaturze zamieniana na pracę)

Bezwzględna wartość energii swobodnej nie jest znana. Można określić zmiany energii swobodnej.

ΔF (substancji, reakcji)

• ΔF = - R T ln(K)

• K = (iloczyn aktywności produktów reakcji)/(iloczyn aktywności substratów reakcji)

• R = uniwersalna stała chemiczna

Powinowactwo chemiczne – zdolność łączenia się różnych pierwiastków

W procesach redukcji ważne jest powinowactwo metali z tlenem

• MeO = Me + ½ O₂

• K = a_Me p_O ^1/2/a_MeO K – ( aktywność metalu/aktywność tlenku)??

• Dla czystych a_Me I a_MeO równe 1

Wówczas: K = p_O ^½

Wtedy: ΔF = - ½ R T ln(p_O)

Przy danej temperaturze prężność dysocjacji danego tlenku stanowi miarę powinowactwa chemicznego pierwiastków z tlenem

Im p_O większe tym powinowactwo mniejsze ( tym mniej trwały tlenek)

Dane prężności w tablicach, bazach danych cyfrowych

Reduktor – cechuje się dużym powinowactwem do tlenu

Powinowactwo z tlenem większe

ΔF_r>ΔF_tlenku

Δp_O<Δp_tlenku

W układzie tlen – węgiel mogą przebiegać następujące reakcje:

• Niepełne spalanie węgla:

2C + O2= 2CO ΔF = -224 – 0,18 T[J/mol]

• Pełne spalanie węgla:

C + O₂ = CO₂ ΔF = -395 – 0,0008 T[J/mol]

• Spalanie tlenku węgla:

2 CO + O₂ = 2 CO₂ ΔF = -566 – 0,17 T[J/mol]

• Reakcja CO₂ z węglem (Boudouarda):

C + CO₂ = 2 CO ΔF = +171 – 0,17 T[J/mol]

WYKRES ZALEŻNOŚĆ BOUDOUADRA!!!

Redukcja CO (pośrednia):

• Me_xO_y + y CO = x Me + y CO₂

• Dla pierwiastków dwuwartościowych

• MeO + CO = Me + CO₂

Stosunek CO₂ do CO wpływa na redukcję (im trwalszy tlenek tym gaz bogatszy w reduktor CO)

Łatwo redukujące się tlenki

• CuO₂, NiO, CoO, FE₂O₃, MN₂O₃,

Zbliżone do FeO

• MoO₂, WO₂, Fe₃O₄,Mn₃O₄

Trudno redukujące się tlenki

• SiO₂, MnO CaO Al₂O₃

Redukcja węglem stałym (bezpośrednia):

• Me_x O_y + yC= xMe + y CO

• Me_xO_y + y CO = x Me + y CO₂

• y( C + CO₂ = 2 CO)

Dla pierwiastków dwuwartościowych

• MeO + C = Me + CO

• MeO + CO=Me +CO₂

• C + CO₂ = 2 CO

JAKIŚ WYKRES