Система водород - железо. Растворимость водорода в жидком железе

Водород- железо

Атомный номер 26.

Структура δ-Fe объемноцентрированная кубическая, а = 2,93 kX

Атомная масса 55,847.

Плотность при 20⁰ С 7,86 г/см³ .

Температура превращения α-Fe↔γ-Fe 906⁰ С

Структура α-Fе объемноцентрированная кубическая, а = 2,8605 kX.

Температура         превращения        γ-Fe↔ δ-Pe 1401⁰ С

Рентгеновская плотность 7,864 г/см³ ~

Структура γ-Fe гранецентрированная кубическая, а = 3,5605 kX

Температура кипения 2880⁰ С .

Температура плавления 1539⁰ С.

Система водород - железо - одна из наиболее полно и всесторонне изученных бинарных водородсодержащих систем. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что железо обладает способностью вступать во взаимодействие с водородом всеми рассмотренными выше путями начиная с поверхностной физической адсорбции.

Но, безусловно, способность к широкому и полному взаимодействию отнюдь не является специфической особенностью железа, отличающей его каким-то образом от других металлов. Самый факт многообразия взаимодействия железа с водородом лишь подчеркивает правильность предположения о том, что все виды взаимодействия водорода с металлами представляют собой различные стадии одного общего процесса.

Исследование физической адсорбции водорода железом было проведено Бентоном . На рис. 2 приведены изотермы физической адсорбции, полученные при отрицательных температурах. На рис. 3 представлена изобара адсорбции водорода на железном катализаторе при давлении 1,013 бар (1 атм). По этим данным, для области низких температур характерна физическая адсорбция, которая резко уменьшается с ростом температуры. При температуре примерно -80⁰ С количество адсорбированного водорода вновь увеличивается и процесс характеризуется уже химической адсорбцией. Кривая А относится к физической адсорбции, а кривые В и С, согласно Смиттелсу, можно рассматривать как два вида активированной адсорбции, имеющих различную энергию активации.

Портер и Томпкинс исследовали адсорбцию водорода на пленках сублимированного железа при низких давлениях. Равновесие было достигнуто в широком интервале температур -133 до +33⁰ С. Авторы нашли, что изотермы адсорбции при давлении 10^-5-10^-1 мм рт. ст. имеют линейный характер. Энергия активации процесса сорбции водорода найдена равной 12,525 кдж/моль (3-6 ккал/моль) (в зависимости от степени заполнения поверхности сорбента). Авторы отметили, что пары ртути почти полностью подавляют емкость сорбента по водороду.

Трепнелл относит железо к числу металлов, интенсивно, адсорбирующих водород путем активированной химической адсорбции. По его мнению, при адсорбции водорода железом может иметь место образование ковалентных связей с электронами d-зоны.

Исследовалась адсорбция водяных паров порошком низкоуглеродистой стали. Адсорбция определялась при температуре 20⁰ С и выражалась числом мономолекулярных слоев на поверхности металла. Удельная поверхность металлических порошков определялась по адсорбции аргона при температуре -195⁰ С. Предварительно порошки подвергали активации в высоком вакууме при 25⁰ С в течение 24 ч и при 400⁰ С в течение 3 ч. Опыты показали, что количество адсорбированных водяных паров после активации при 25⁰ С соответствует примерно одному мономолекулярному слою (п = 1) на поверхности металла. После активации при 400⁰ С сорбционная способность резко увеличивается и достигает значений, соответствующих п = 10-13.

Франкенбургер нашел, что если железо, испарившееся с поверхности горячей проволоки, конденсируется в присутствии водорода на стеклянной поверхности, охлаждаемой жидким воздухом, то каждый атом конденсированного железа притягивает одну молекулу водорода.

Начиная с 400-500⁰ С становится вполне измеримой объемная окклюзия водорода железом; дальнейшее повышение температуры сопровождается увеличением растворимости. Плавление и аллотропические превращения сопровождаются скачкообразными изменениями растворимости. При температурах ниже 400⁰ С абсолютные значения растворимости водорода в железе невелики, что затрудняет измерение их с достаточной точностью, так как абсорбционное равновесие при низких температурах устанавливается медленно. Количественные определения растворимости водорода в твердом и жидком железе были произведены Сивертсом, Мартином и многими другими авторами и, за немногими исключениями, дали согласующиеся результаты. В табл. 41 и рис. 68 приведены полученные данные.

Как в твердом, так и в жидком состояниях железо абсорбирует водород в атомарном состоянии, что доказывается соответствием изотермической растворимости водорода закону квадратного корня. М. М. Карнаухов и А. Н. Морозов изучали растворимость водорода в жидком железе при температурах 1560-1685⁰ С. Опыты проводились с железом, содержащим 0,02 % Мn и менее 0,01 % C, при низких давлениях (до 40 мм. рт. ст.). Применялось раскисление небольшими количествами алюминия и кремния.

Таблица 41