في مجال معالجة المواد، وتحديدا في الكيمياء الحرارية، تستخدم المعالجة الكيميائية الحرارية لنشر الحرارة، وذلك لجمع الذرات غير المعدنية أو المعدنية على سطح المادة بهدف تعديل التركيب الكيميائي والبنية المجهرية.
وتتم العملية في وسط صلب أو سائل أو غازي مع واحد أو عدة عناصر كيميائية نشطة في وقت واحد، فتابعوا موقع مقال للتعرف على الكيمياء الحرارية في معالجة المواد.
الكيمياء الحرارية
تتعلق الكيمياء الحرارية بدراسة الطاقة الحرارية المرتبطة بالتفاعلات الكيميائية والتغيرات الفيزيائية.
يمكن أن يطلق الطاقة أو يتم امتصاصها خلال التفاعل، كما يمكن حدوث تغيير في الحالة الفيزيائية، مثل الذوبان والغليان.
الكيمياء الحرارية تركز على تغيرات الطاقة، وبخاصة تبادل الطاقة بين النظام وبيئته.
كما تكون الكيمياء الحرارية مفيدة في التنبؤ بكميات المواد المتفاعلة والمنتجات على طول مسار تفاعل معين؟
يتم استخدامها بالاقتران مع قرارات الانتروبيا أيضا للتنبؤ بما إذا كان التفاعل سيكون عفويا (تلقائيا) أم غير عفوي.
يمتص المواد الامتصاصية الحرارة، بينما يفرز المواد المطردة الحرارة.
يتم دمج مفاهيم الديناميكا الحرارية في الكيمياء الحرارية، مع مفهوم الطاقة في شكل روابط كيميائية.
يشمل هذا الموضوع بشكل عام حساب مقدار الحرارة المتاحة، وحرارة الاحتراق، وحرارة التكوين، والمحتوى الحراري، والنتروبيا، والطاقة الحرة، والسعرات الحرارية.
شاهد أيضًا: بحث عن أهمية الكيمياء في حياتنا اليومية بالتفصيل
نبذة تاريخية عن الكيمياء الحرارية
الكيمياء الحرارية تعتمد على تعميمات محددة، والتي تذكر في المصطلحات الحديثة على النحو التالي:
- قانون لافوازييه ولابلاس (1780م): تتغير الطاقة المصاحبة لأي تحول مساو وعكسي، بمعنى تتغير الطاقة المصاحبة للعملية العكسية.
- قانون هيس (1840م): تغير الطاقة المرافقة لأي تحول هو نفسه، سواء كانت العملية في خطوة واحدة أو عدة خطوات.
هذه البيانات تسبق القانون الأول للديناميكا الحرارية (1845م)، وساعدت في تشكيلها لافوازييه ولابلاس وهيس في أيضا التحقيق في درجة حرارة محددة وحرارة متنكرة.
بالرغم من أن جوزيف بلاك هو الشخص الذي قدم أهم إسهامات في تطوير تغييرات الطاقة المحتملة.
أظهر كيرشوف في عام 1858م أن التغير في حرارة التفاعل يحدث بسبب التغير في السعة الحرارية بين المنتجات والمواد المتفاعلة: dΔH / dT = ΔCp.
تمكن تكامل هذا الاعتبار من تقييم حرارة التفاعل عند درجة حرارة واحدة من القياسات، وأيضا عند درجة حرارة مختلفة.
قياس السعرات الحرارية
يتم قياس التغيرات الحرارية باستخدام جهاز القياس المسعر، وعادة يتم إجراء هذا التغيير المطلوب في غرفة مغلقة يتم فحصها.
يتم مراقبة درجة حرارة الغرفة إما باستخدام مقياس حرارة أو جهاز قياس حراري، وترسم درجة الحرارة مقابل الوقت، لتحصل على رسم بياني يمكن من خلاله حساب المقادير الأساسية.
غالبا ما تكون أجهزة قياس الحرارة الحديثة مجهزة بأجهزة تلقائية، لتوفير قراءة سريعة للمعلومات، وأحد الأمثلة على ذلك هو مسجل الحرارة التفاضلي (DSC).
الأنظمة
تعتبر التعريفات الديناميكية الحرارية مفيدة جدا في مجال الكيمياء الحرارية؛ حيث يعرف النظام على أنه الجزء المحدد المدروس من الكون، وكل ما هو خارج النظام يعتبر بيئة أو محيط، وقد يشمل النظام:
- نظام معزول تماما هو نظام لا يمكنه التفاعل مع البيئة المحيطة سواء فيما يتعلق بالطاقة أو المادة، مثل مسعر القنبلة المعزول.
- هناك أيضا نظام حراري معزول يمكنه تبادل العمل الميكانيكي، ولكن ليس الحرارة أو المادة، مثل المكبس المغلق المعزول أو البالون.
- هو نظام معزول ميكانيكيا قادر على تبادل الحرارة، ولكنه لا يتعامل مع الأعمال الميكانيكية أو المواد، مثل مسعر القنبلة غير المعزول.
- نظام مغلق يمكنه تبادل الطاقة ولكنه ليس مهما مثل المكبس المغلق غير المعزول.
- نظام مفتوح يمكنه تبادل المادة والطاقة مع البيئة المحيطة، على غرار وعاء ماء مغلي.
النيترة
النيترة كانت وما زالت المعالجة الكيميائية الحرارية الرئيسية، حيث تمثل مع نيترو كربنة الحديد السطحية المهيمنة في تقنيات تعديل السطح الصناعي.
يؤدي المعالجة أيضا إلى دمج النيتروجين في سطح الفولاذ أثناء وجوده في حالة الحديد.
وفي التطبيقات التجارية، المنطقة المعدلة النموذجية، تصل إلى ٢٠٠-٣٠٠ مايكرومتر، ونادرا ما تتجاوز ٦٠٠ ميكرومتر.
وتؤثر ذلك على توزيع صلابة السطح، بما في ذلك القيمة القصوى وعمق الاختراق.
بالمقارنة بالمعالجات الحرارية والكيميائية الحرارية الأخرى، لا يوجد حاجة إلى معالجة حرارية إضافية بعد النيترة.
كما أن سطح المكون يواجه زيادة في الصلابة، ومقاومة التآكل.
تابع أيضًا: موضوع عن أول عنصر في الجدول الدوري في الكيمياء
تقنيات النيترة المتاحة في الوقت الحاضر
لاختزال النيتروجين، تم تسويق العديد من التقنيات واستكشاف مصادر مختلفة للنيتروجين، وإليك التقنيات المتاحة للنيترة وهي:
نيترة الغاز
تم توثيق براءة اختراع غاز النيتروجين في السنتين 1913 و1921، ويتم غالبا إجراءها عند درجات حرارة تتراوح بين 550 و580 درجة مئوية في فرن محاط بصندوق أو طبقة مميعة في جو مليء بالأمونيا المنفصلة جزئيا.
تكمن مزايا الطبقة المميعة في توحيد درجة الحرارة شبه المثالية، من خلال حجم جزيئات الغاز بالكامل.
وفيما يتعلق بمعدل الاحترار السريع، يحدث التفاعل الأساسي لغاز النيتروجين بتحلل الأمونيا المحفز، لتكوين النيتروجين الأولي
NH3= [N] + 3/2 H2
تتضمن معلمات التحكم كل من الوقت ودرجة الحرارة ومعدل تفكك الغاز، وفي بيئة الإنتاج يتم قياس وتعديل الأخير بشكل دوري.
المشكلة الأساسية في نيترة الغاز التقليدية هي أنه لا يمكن مراقبة تركيز النيتروجين السطحي بدقة.
ونتيجة لذلك، عادة ما تفتقد الطبقة النيتريدية للبنية، وتفتقر العملية بأكملها إلى القدرة على التنبؤ والتكرار.
نيترة الملح السائل
تجرى عملية تحليل النترات في السائل، الذي تم تطويره في الأربعينيات من القرن الماضي، في حمام الملح المنصهر الذي يحتوي على السيانيدات أو السيانات.
يتكون الحمام التجاري النموذجي من خليط يحتوي على 60-70٪ من أملاح الصوديوم {96.5٪ NaCN، 2.5٪ Na2CO3، 0.5٪ NaCNO}.
وتحتوي بنسبة 30-40٪ على أملاح البوتاسيوم {96٪ KCN، 0.6٪ K2CO3، 0.75٪ KCNO، 0.5٪ KCl}.
تتضمن معدات نيترة الملح، جنبا إلى جنب مع تقنيات الغاز والبلازما، ميزة رئيسية تتمثل في انخفاض وقت الدورة بسبب التسخين الكثيف والتفاعل العالي للوسط.
هناك عدة طرق لتسريع معدل النيترة، مثل إضافات الكبريت أو ضغط الذائب في الاستحمام.
عادة ما يتم إنتاج الفولاذ منخفض السبائك خلال دورة تستغرق 1.5 ساعة عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 565 درجة مئوية، وذلك عند سمك قدره 0.3 مم.
تقنية حمام الملح لها أيضا عدد من السمات السلبية، مثل سمية الملح وضعف جودة سطح النيتريد.
نيتريد البلازما (أيون)
يتم استخدام الحبق لإدخال النيتروجين على سطح السبيكة بواسطة ظاهرة التفريغ المتوهج، وينتشر في طبقات تحت السطح بعد ذلك.
يتم إنتاج البلازما في فراغ باستخدام طاقة كهربائية عالية الجهد لتسريع أيونات النيتروجين التي تصطدم بسطح السبيكة.
نيترة الليزر
في العقدين الماضيين، تم دراسة استخدام الليزر كوسيلة بديلة للنترة، وأثناء التفاعل المباشر بالليزر، يتم إضافة مادة إلى بيئة الغاز التفاعلي وتنشيطها بواسطة ضوء الليزر.
يتم تغذية النيتروجين من خلال فوهة في حوض الذوبان، وذلك على مدار مئات النانو ثانية.
عندما يتعرض النيتروجين المحيط لإشعاع ليزر نبضي عالي الكثافة بمقدار I ≈ 108 واط / سم مربع، يمكن أن يتم تكوين طبقة سميكة من نيتريد بسمك يتراوح بين 1 و 1.5 ميكرومتر.
الطبقة النيتريدية وتأثيرها على خواص الركيزة
تتغير خصائص السطح في المقام الأول بتغير نسبة النيترة. وعلى الرغم من ذلك، فإن وجود نيتريد يؤثر أيضا على خصائص حجم المادة تحت العلبة النيتريدية بأكملها.
اخترنا لك: بحث حول مكتشف قانون الضغط على السوائل في الكيمياء
في نهاية الكيمياء الحرارية في معالجة المواد، تعد هندسة الأسطح طريقة فنية واقتصادية جذابة تهدف إلى تحسين طبقة السطح للمواد، وذلك لأن السطح يؤثر على عمر الخدمة في العديد من التطبيقات.
