научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЦИРКОНИЯ С ГАЛОГЕНИДНЫМИ РАСПЛАВАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЦИРКОНИЯ С ГАЛОГЕНИДНЫМИ РАСПЛАВАМИ»

РАСПЛАВЫ

4 • 2014

УДК 541.135:536.17

© 2014 г. А. А. Андрийко1, А. А. Омельчук, В. А. Хохлов

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЦИРКОНИЯ С ГАЛОГЕНИДНЫМИ РАСПЛАВАМИ

Приведен метод оценки устойчивости соединений циркония, находящихся в равновесии с цирконием в расплавах хлоридов и бромидов щелочных металлов, в основу которого положен анализ зависимости потенциала циркониевого электрода от исходной концентрации его соединений.

Ключевые слова: цирконий, галогенидные расплавы, соединения разных степеней окисления, устойчивость, потенциометрия, метод оценки.

Информация о закономерностях межфазного взаимодействия металл/солевой расплав является одним из необходимых условий реализации электролитического получения и рафинирования цветных металлов в солевых расплавах, синтеза тугоплавких интерметаллических соединений и сплавов различного назначения, нанесения защитных покрытий и легирования поверхности конструкционных материалов, защиты от коррозии [1—3]. Взаимодействие металлов с солевыми расплавами обуславливает снижение выхода по току и загрязнение их посторонними примесями, неустойчивость заданного режима электролиза и разрушение конструкционных материалов.

Особый интерес представляет информация о взаимодействии циркония с галогенид-ными расплавами в связи с тем, что высокотемпературный электролиз представляется одним из перспективных методов его получения [4]. Кроме того, цирконий составляет основу оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, которые после окончания срока эксплуатации могут быть утилизированы с использованием солевых расплавов [5—7]. Практический интерес взаимодействие циркония с ионными расплавами обусловлен необходимостью обеспечения требуемого Red/Ox потенциала расплавленных солевых композиций, рекомендованных в качестве носителей ядерного топлива в реакторах нового поколения [8]. Наконец, такая информация важна для понимания общих закономерностей поведения поливалентных металлов в расплавленных солях.

В настоящем сообщении приведена методика оценки валентных состояний соединений циркония, образующихся при его контакте с галогенидными расплавами, в основу которой положен анализ результатов потенциометрических измерений.

При этом использованы результаты работ [9—11], которые были недавно обобщены и подробно изложены в монографии [12]. Ниже приведены основные расчетные зависимости указанной методики применительно к анализу потенциометрических данных.

При контакте металла с расплавом образуются его соединения разных степеней окисления n = 1, 2, ..., N, где N— максимально возможная степень окисления. Для циркония она равна 4. Образование таких соединений можно представить последовательными элементарными одноэлектронными стадиями

ВВЕДЕНИЕ

Zr0 + Zr4 + ^ Zr1+ + Zr

.4 +

1+

.(4 -1)+

(1)

2Zr^ Zr(n+1)+ + Zr(n-1)+

1 andriiko_aa@ukr.net.

количество которых равно ЩИ — 1) [9, 10]. В случае циркония (И = 4) оно равно — 12.

Строгое кинетическое описание такого процесса при N > 2 — чрезвычайно сложная задача, поскольку в общем случае необходимо учитывать не только реакции (1) и (2),

но и возможность взаимодействия циркония с катионами расплава-растворителя М,-

/г0 + Мт+ О /г1+ + М(т-1)+ (3)

и последующих межвалентных равновесий согласно уравнению (2), с участием катионов расплава-растворителя разных степеней окисления.

В итоге, при контакте металла с расплавом-растворителем в результате взаимодействий (1)—(3) установится равновесие, при котором в солевой фазе будут находиться соединения металлов в разных степенях окисления, относительное количество которых будет зависеть от термодинамической устойчивости соответствующих соединений.

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ - РАСПЛАВЛЕННАЯ СОЛЬ

Оценка свойств системы, в которой существуют N соединений в разных степенях окисления, в условиях равновесия существенно проще задачи описания данной системы в кинетических условиях, поскольку для полной ее характеристики достаточно задать всего N — 1 независимых уравнений равновесия с участием этих соединений. Для систем, содержащих цирконий и его соединения, их можно представить следующим образом:

(1 - п) /г0 + п М+ — /г п+. (4)

Константы равновесий Щ этих реакций (или энергия Гиббса) будут мерой термодинамической устойчивости промежуточных соединений относительно заданных стандартных состояний, за которые приняты нулевая и максимальная степени окисления циркония. Для более строгого описания данной системы необходимо учесть равновесия с участием катионов, входящих в состав расплава-растворителя. Если таким расплавом является галогенид щелочного металла, то получим

1 /г0 + М+ I /г4+ + М0. (5)

4 4

Для оценки относительной устойчивости соединений циркония разных степеней окисления можно выбрать другое стандартное состояние. В частности, им может быть активность галогенида щелочного металла в расплаве-растворителе. В этом случае систему можно охарактеризовать набором следующих равновесий:

/г0 + пХ2 —/г4+ + пХ(6) 2

М+ + X- < к > М0 + Х2. (7)

Вместо констант соответствующих равновесий удобнее использовать однозначно с ними связанные стандартные потенциалы окислительно-восстановительных реакций

/гп+ + пе- = /г0, (8)

М+ + е- = М0 (9) относительно полуреакции

Х2 + 2е- =2Х-. (10)

В этом случае потенциал циркониевого электрода, согласно реакции (8), можно представить системой из четырех уравнений

?Zr-/Zr0 + ^ In «Zr»+' (11)

а потенциал металла, образующего расплав-растворитель, в соответствии с реакцией (9), уравнением

Фм7м0 =фМ - Fln aM0. (12)

Из этих уравнений можно определить активность соответствующих соединений в расплаве:

aZr"+ =PZr"+ Zr"+) (13)

амо =вМ+ ехР(-^ м+)' (14)

где ¥ , = ф,F/RT, ¥0 = ф°f/RT, а в, = ехр(-и^,°) — коэффициент, в котором содержится вся информация об относительной устойчивости соответствующего соединения, находящегося в равновесной системе.

Приведенные системы уравнений можно использовать для оценки относительной устойчивости соединений в разных степенях окисления, находящихся в равновесии с соответствующим металлом.

Если приближенно допустить, что концентрация соответствующего соединения

равна его активности (а,« с,) и обозначить exp(n^,) = Pn, то получим

О, =вРП. (15)

Если известна зависимость равновесного потенциала электрода от суммарной концентрации соединений некоторого элемента Е в расплаве, то она может быть выражена в виде полиномиальной функции

N N

C = I О, = X вРП (16)

1 1

из которой могут быть рассчитаны величины, характеризующие относительную устойчивость: константы равновесий (4) или стандартные потенциалы полуреакций (8). Уравнение (16) является базовым для оценки равновесий в системе металл—солевой расплав на основе обработки результатов потенциометрических измерений [10].

Следует учесть, что чаще известна не суммарная концентрация соединений металла в расплаве после достижения равновесия, а начальная концентрация CN соединений элемента E(N) в высшей степени окисления N, которые находились в расплаве до его соприкосновения с металлом. В таком случае будет справедливым соотношение

ncn = (X nC) - Смо, (17)

которое непосредственно следует из условия электронейтральности системы (баланса зарядов). В таком случае формула для анализа экспериментальных данных потенцио-метрии принимает вид

ncN = (XпвР") -вм+ Рм0- (18)

Аналогичная формула будет справедлива и для случая, если соединения металла были введены в расплав путем анодного растворения и их концентрация была пересчитана на соединения в высшей степени окисления. Кроме того, было показано [11], что форму-

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Р2

Рис. 1. Зависимость равновесного потенциала циркониевого электрода от исходной концентрации его соединения расплаве бромида калия в координатах уравнения (19).

лы, аналогичные (18), применимы также к описанию стационарного потенциала металла Е, погруженного в расплав, содержащий его соединение высшей степени окисления. В этом случае в коэффициенты Р,- должен входить поправочный множитель, равный отношению коэффициентов диффузии соответствующих соединений.

Таким образом, использование указанной методики позволяет получить полезную информацию о свойствах подобных систем исходя из данных о равновесных или стационарных потенциалах электродов. Для этого в первую очередь нужны надежные экспериментальные данные. На наш взгляд, что касается систем, содержащих соединения циркония, такие данные получены еще в 70-х годах прошлого столетия в Свердловске. Они приведены в книге М.В. Смирнова [13] и в статье Л.Е. Ивановского и Р.И. Новикова [14] соответственно для хлоридных и бромидных расплавленных систем. Анализ этих данных проведен в настоящей работе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Равновесия в системах цирконий-бромид щелочного металла. В работе [14] приведены данные по равновесным потенциалам циркониевого электрода относительно бромного электрода сравнения в расплавах КВг и эквимольной смеси КБг-№Бг. Перед началом измерений в расплав путем анодного растворения вводили определенное количество соединений циркония, концентрацию которых рассчитывали, предполагая, что в расплаве образуется соединение со степенью окисления 4+.

При такой схеме эксперимента результаты потенциометрических измерений должны описываться уравнением (18). К сожалению, ввиду ограниченного количества экспериментальных точек (4 концентрации), строгий анализ по этому уравнению затруднен, однако преимущественную степень окисления соединений циркония, находящихся в равновесии с металлом, можно установить. Анализ имеющихся данных [14] показал, что в системе цирконий-бромид калия в равновесии находятся соединения /г(11) и /г(ГУ). Из рис. 1 следует, что экспериментальные данные удовлетворительно описываются уравнением

4С = а + ЬР2, (19)

Р2

ln K 1.06

1.04

1.02

1.00

0.98

0.96

0.94

0.92

0.90

0.85

0.90

0.95

_I_

1.00 1000 T, K

Рис. 2. Зависимость логарифма константы равновесия (20) от обратной температуры. Прямая проведена методом наименьших квадратов в соответствии с показанным на рис. 2 аппроксимационным уравнением.

что соответствует равновесию

Zr° + Zr4+ о 2Zr2+. (20)

Вы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком