» » Закономерности конденсации металлов
30.05.2015

В дистилляционном аппарате всегда имеется градиент давления паров в испарителе и конденсаторе, который и обеспечивает направленное движение паров металлов к конденсатору. В соответствии с ранее принятым обозначением этот градиент можно выразить как
h = P1 - P2,

где Р1 — давление пара над поверхностью металла в испарителе; Р1 ≤ Рравн;
P2 — давление пара над поверхностью конденсата; Р2≥Рконд.
Рконд — давление пара металла в поверхности конденсации.
Характер конденсации (в твердое или жидкое состояние) определяется соотношением величины P1, Р2 и Рост.газов. Поскольку первые две величины не могут быть определены, вместо них для ориентировочной оценки могут быть приняты соответственно Рравн и Рконд.
При условии Рравн ≥ Рконд и Рконд ≤ Рост возможна конденсация в жидкое и твердое состояние, в качестве примера могут быть приведены условия конденсации бария при алюминотермическом получении его из окиси. Равновесная упругость пара бария над смесью ВаО+Аl при 1200° равна 2 мм. Давление насыщенных паров чистого бария над конденсатом при температуре плавления бария (тройная точка) равна 0,08 мм рт. ст. При этих условиях возможна конденсация бария в жидкое состояние. Разность Рравн-Рконд будет обеспечивать приемлемые скорости процесса. С точки зрения наиболее полной конденсации бария остаточное давление в системе желательно не менее 0,08 мм рт. ст. В противном случае будет идти повторная редистилляция конденсата с осаждением его в твердом виде на более холодных частях установки. При температуре конденсатора менее 704° (температуре плавления бария) барий будет получаться в твердом виде.
Закономерности конденсации металлов

При условии Рравн ≤ Рконд возможна конденсация только в твердое состояние, в противном случае при конденсации в жидкость процесс дистилляции пойдет крайне медленно или же прекратится совсем. Как пример могут быть рассмотрены случаи конденсации паров кальция и магния. Равновесная упругость паров кальция при алюминометрическом восстановлении при 1200° окиси кальция равна 1,3 мм рт. ст. При температуре плавления кальция (851°) упругость его паров равна 1,8 мм рт. ст., т. е. упругость паров над конденсатом выше, чем равновесное давление его паров, получаемое по реакции. В этих условиях процесс восстановления и дистилляции кальция прекратится. Для возможности ведения процесса кальций конденсируют в виде твердого осадка (т. е. в условиях, когда Рконд ≤ Рравн). В табл. 10 приведены значения упругости паров и температуры тройной точки для некоторых металлов.
Закономерности конденсации металлов

В вакуумных условиях конденсация в твердое состояние представляется простым и в ряде случаев наиболее целесообразным решением.
Характер твердого осадка, полученного в вакууме, зависит от остаточного давления системы, температуры конденсации и интенсивности дистилляции. Из перечисленных факторов на формирование твердого осадка наибольшее влияние оказывает остаточное давление. На рис. 19 представлены фотографии конденсата, полученного дистилляцией при температуре 700° и разных значениях остаточного давления. Из рисунка видно остаточное давление сильно влияет на характер конденсата. При давлении 0,07 мм рт. ст. конденсат имеет вид плотного осадка; при давлении 0,3 мм рт. ст. осадок имеет форму четко выраженных дендритов, расширяющихся к поверхности испарения. С дальнейшим увеличением остаточного давления конденсат претерпевает изменения от мелкодендритного строения до отдельно сросшихся мелких зерен различной величины. При еще большем увеличении давления конденсат получается в виде порошка. Рассмотренный характер осадков можно объяснить тем, что по мере увеличения давления уменьшается величина свободного пробега молекулы, что приводит к увеличению градиента концентрации металла в парах. Поэтому случайно выступающие части конденсата будут находиться в области больших концентраций атомов и, следовательно, быстрее расти. Так появляется дендритная структура осадка. При глубоком вакууме градиент концентрации небольшой и выступы не имеют такого значения в формировании осадка, вследствие чего осадок имеет гладкую поверхность. Вместе с тем, чем глубже вакуум, тем меньше пары подвергаются действию азота и кислорода, тем интенсивнее скорость дистилляции и тем плотнее получаются осадки. При высоких давлениях пары металла взаимодействуют с остаточными газами, что препятствует слипанию частиц. В предельном случае осадок будет иметь вид порошка.
Вторым фактором, влияющим на характер осадка, является температура конденсации. Увеличение температуры конденсации за счет снижения количества отбираемого тепла или за счет интенсивности испарения способствует получению плотных осадков. Положительное влияние температуры конденсации на плотность осадка связано с тем. что с увеличением температуры увеличивается скорость миграции поверхностных атомов с мелких зерен на крупные ввиду большей поверхностной энергии атомов последних. Это способствует росту крупных зерен и получению плотных осадков.