Распределение электронов по уровням показывается при помощи кривой распределения Ферми [11,с.24]:
Механизмы реакций выплавки чугуна
Сырьем для выплавки стали является чугун. Чугун получают по реакциям восстановления железа из оксидов железных руд. Железные руды представляют собой породу, содержащую железо в виде соединений Fe3O4 (магнитный железняк, 55…60% Fe), Fe2O3 (красный железняк, 55…60% Fe), 2Fe2O3x3H2O и Fe2O3xnH2O (бурый железняк 33…55% Fe), FeCO3 (шпатовый железняк, 30…40% Fe) и вторую часть в виде неорганических соединений SiO2, Al2O3, CaO, MgO.
Чугун выплавляют доменной печи, в которой химические реакции и физические процессы организованы при противоточном движении поднимающихся горючих газов и двужущегося вниз чугуна. В работе [5,с.30] приводятся схема реакций по высоте доменной печи:
Механизмы реакций, как правило, в неорганической и органической химии описываются для индивидуальных молекул, присутствующих в газовой и жидкой фазе.
К процессу выплавки чугуна такой подход неприменим, так как атому железа находятся в кристаллической решетке. Подход органической химии может использоваться только для жидкой фазы, где нет влияния кристаллической решетки.
Механизм реакции соединений железа, имеющих кристаллическую решетку может быть исследован квантово-химическим расчетом в специальных компьютерных пакетах или исследован экспериментально. Как правило, присутствуют два метода и затем сравниваются результаты, т.е. соответствие квантово-химических расчетов экспериментальным данным; и объяснению полученных результатом эксперимента с помощью квантово-химических расчетов и представления структур на пути от исходных веществ через промежуточные соединения до продуктов химического взаимодействия.
В настоящее время для изучения химизма реакций железоуглеродистых соединений и соединений оксидов железа используют квантово-химические расчеты и проводят физико-химические методы анализа соединений для подтверждения структуры по результатам эксперимента.
Как известно, процесс окисления железа в доменной печи проходит по условной схеме:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO →Fe
В химии кристаллов играет роль химической взаимодействие с окислителем на поверхности соединения кристалла и перегруппировка кристалла.
Именно из этих двух аспектов и состоит описание механизма неорганической реакции окисления железа.
Отметим, что для органической химии (в нефтехимии), важны только стадия адсорбции реагента на решетку, перегруппировка в органической молекуле (переходное соединение с образованием связи с атомами решетки, за счет которых связи в органической молекуле ослабляются и становится возможной химическая реакция) и десорбция.
Запись последовательно выделенных по высоте доменной печи соединений не позволит описать механизм реакции так как не показывает процессов изменения конфигурации, а только фактически фиксирует промежуточные вещества.
Механизм реакции можно получить только путем квантово-механического расчета кластера атомов кристаллической решетки. В процессе расчета наглядно видны процессы химических взаимодействий атомов, изменения электронной плотности для всего кластера, перегруппировки атомов в решетке кристалла. В результате видно, как совокупность перечисленных процессов приводит к образованию одних соединений из других. А совпадение с экспериментальными данными подтверждает правильность квантово-механического расчета.
Важно, чтобы в расчет вводилась корректная конфигурация исходных веществ, получались корректные конфигурации решеток промежуточных веществ и получалась правильная конфигурация решетки продукта реакции.
__
В работе [29] авторами установлен ! механизм реакций, протекающий по схеме:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO →Fe
Авторы работы [29] уточняют схему:
α-Fe2O3 → γ-Fe2O3 → Fe3O4 → FeO
Также авторы [29] приводят графические результаты расчетов структур соединений по схеме.
Вместе с тем, в работе [30] авторами приводятся струкруты соединений железа с углеродом и железа с кислородом (оксидов).
__
Авторы [29] не описывали механизм реакций, как это принято в литературе по механизмам химических реакций. Используя графические реузльтаты авторов [29] и [30] можно впервые записать механизм химической реакции в форме, как это принято в литретуре по механизмам химических реакций.