Газы и пары металлов

Инертные газы (ИГ) – получаются путем конденсации и фракционной разгонки воздуха (Не также получают из минералов менацита и торианита при нагреве до 1 200 ^оС и из природных источников). Содержание ИГ в воздухе представлено в табл. А4.1.

Таблица А4.1. Содержание инертных газов в воздухе

ИГ	N2	O2	Ar	CO2	Ne	He	NH3	H2	Kr	Xe
Об.%			0,9325	~0,03	1,61∙ 10^-4	4,6∙10^-4	1∙10^-4	1∙10^-4	1,08∙ 10^-4	8∙ 10^-4
Точка кип., ^оС				78,5			161,4

Различные смеси инертных газов: 1) Ne – He (75 – 78 % Ne, 25 – 22 % He) – из остатка при выработке жидкого; 2) технический Ar (от 5 до 30 % N₂, < 0,1 % О₂) – для ЛОН; 3) спектрально чистый Ar (0,1 – 0,3 % N₂) – для разрядных приборов; 4) спектрально чистый Ne (~ 0,3 % Не) – получается из смеси 1) путем разделения жидкого Н₂ (при -253 ^оС); 5) спектрально чистый Не – получается по п. 4); 6) спектрально чистые Kr и Xe (~ 0,05 % N₂).

Очистка инертных газов: 1) очистка в разряде с электродами из Са (образуются карбиды, нитриды, гидриды, оксиды – осаждаются на стенке колбы) – аппарат Борна; 2) очистка в разряде с К и Na катодами; 3) очистка в разряде с катодами из мишметалла (Се,Y – 40 – 60 %, La, Nd – 25 – 28 %, Pd – 20 %, Tb, Sm – 6 %, Fe – 3 %, Si – 3 %); 4) очистка в дуговом разряде между Mg электродами; 5) отчистка циркуляцией газа в порошке Мg (550 – 600 ^оС) – удаляются О₂, N₂, CO, CO₂ и NH₃; 6) отчистка активированной Cu для удаления О₂ из инертных газов; 7) отчистка циркониевыми обрезками (870 – 930 ^оС) с циркуляцией газа над ними.

Осушка инертных газов. Наиболее эффективно пары Н₂О удаляются при пропускании газа через ловушку с жидким воздухом – давление паров воды составляет 10^{-22 мм рт. ст., для осушки} Kr и Xe этот метод непригоден – их осушают при применении ловушки со смесью твердой углекислоты и спирта (-78 ^оС), при этом давление паров Н₂О составляет 5·10^{-4 мм рт. ст.}

Влагопоглотители (мг Н₂О/ л): P₂O₅ – 2·10^-5; Mg(ClO₄)₂ – 5·10^-4; BaO – 6,5·10^-4; KOH (плавл.) – 2·10^-3; Al₂O₃ – 3·10^-3; MgO – 8·10^-3; силикагель – 3·10^-2; NaOH (плавл.) – 1,6·10^-1; СаО, CaCl₂ – 2·10^-1; H₂SO₄ (95,1 %) – 3·10^-1.

Активные газы.

Н₂ – используется в печах для нагрева в защитной атмосфере, в печах обезгаживания, в восстановительных печах применяется баллонный Н₂ (стальные баллоны), прошедший предварительную очистку.

Схема очистки (аппаратура – назначение): 1а) маслоулавливатель – удаление паров масла; 1б) электрическая фарфоровая печь (~ 800 ^оС) – разложение Fe (CO₃)₅; 2) грубый стеклянный фильтр или вата – улавливание металлического Fe; 3) промывочная склянка с KMnO₄ – окисление органических примесей и СО; 4) грубый стеклянный фильтр – предохранение от перемешивания содержимого ванн при слишком быстром токе Н₂; 5) промывочная склянка с раствором HgCl₂ – связывание H₂S и С₂Н₂; 6) позиция 4); 7) промывочная склянка с концентрированным раствором КОН – поглощение СО₂; 8) позиция 4); 9) кварцевая трубка со свободно упакованными медными стружками, нагретыми до 700 – 800 ^оС – каталитическое сжигание О₂ до Н₂О; 10) промывочная склянка с H₂SO₄ – осушка водорода-газа; 11) позиция 4); 12) осушительная колонка с CuCl₂ – осушка; 13) несколько осушительных трубок с Р₂О₅ – осушка; 14) позиция 4) – улавливание пыли от Р₂О₅. Очистка (схема процессов) Н₂, О₂, N₂, CO₂ рассмотрена в [3, т.3].

О₂ – баллонный О₂ содержит следы СО₂, Н₂О, N₂ и инертные газы: 0,7 % Ar, 0,3 % Ne.

N₂ – баллонный N₂ получают из жидкого воздуха, содержит до 2 % О₂.

СО₂ – баллонный СО₂ содержит 1 – 2 % посторонних газов. Чистый СО₂ без применения процессов очистки можно получить путем умеренного нагрева двууглекислого Na: 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O (при 100 ^оС давление смеси CO₂ + H₂O составляет 733 мм рт. ст.), Н₂О конденсируется в ловушке, а затем СО₂ осушивается обычными влагопоглотителями. Небольшие количества СО₂ можно получить по реакции (при нагреве примерно 500 ^оС): MgCO₃ → MgO + CO₂. Очистка СО₂ от О₂ проводится ловушкой с твердой углекислотой (- 78,5 ^оС). СО₂ применяется в качестве наполнения в газосветных трубках (для получения источников белого света), а также в газоразрядных лазерах.

NH₃ – поставляется в стальных баллонах с чистотой 99,5 %.

Давление паров металлов по [18] определяется формулами:

lg P_атм = – ΔF/(4,575 Т), lg P_{мм рт. ст.} = 2,881 – (ΔF/(4,575 Т)), F = U – TS + PV, где P_атм, P_{мм рт. ст.} – давление в атм и мм рт. ст., соответственно, U – внутренняя энергия, Т – температура, К, S – энтропия, P – давление, V – объем, ΔF – изменение F.

Для Р через скорость испарения W (г∙см^-2∙с^-1) в [3, т. 1] дается формула

P_{мм рт. ст.} = 17,1 W ∙T^0,5 ∙M^-0,5,

где Т – температура, К, М – относительная молекулярная масса испаряющегося вещества.

Давление паров сплавов металлов подчиняется закону Рауля (см. раздел по амальгамам).

Толщина испарившегося слоя (мм за 1 ч) определяется формулой

D = 36000 W/γ = 2100 (M/T)^0.5 P/γ,

где γ –удельный вес, г/см³.

Давление паров 10^{-2 мм рт.ст. для ряда металлов достигается при температуре, К:} Hg – 322, Cs – 425, Rb – 448, K – 482, Na – 514, Cd – 538, Zn – 617, Mg – 720, Li – 787, Sr – 825, Tl – 874, Cu – 882.

Задания для самостоятельной работы

1. Основные инертные газы и их смеси, используемые в электровакуумной и электронной технике.

2. Технологические процессы очистки инертных газов.

3. Особенности технологии и применения активных газов.

4. Давление паров металлов, скорость их испарения – основные соотношения и расчет для разных температур.

Дата добавления: 2014-11-25