Кислород растворяется в железе в виде FeO. Связь кислорода с железом в этих частицах, вероятно, ионная (Fe²⁺+O^2-). Такое предположение основано на ряде фактов.

1. Растворение в расплавленном железе сопровождается большим тепловым эффектом (Q=-H= 116900 Дж/г-атом):

{O₂}=[O];
=-116900-2,38T, Дж/г-атом, (3.14)

следовательно, силы связи железа с кислородом очень велики.

2. Весьма значительны изменения термодинамических функций при окислении железа:

Fe_ж+ 1/2{O₂}=(FeO);
=-237600+49,87T, Дж/г-атом,(3.15)

Если алгебраически сложить эти две реакции, то получим реакцию растворения оксида железа (II) в металле:

[FeO]=[Fe]+[O];
==120700-52,25T, Дж/г-атом, (3.16)

3. Энергия решетки FeO, т.е. энергия взаимодействия в ней ионов железа и кислорода, составляет 4034 кДж/моль, что превышает энергию решеток многих точных оксидов (для СаО эта энергия равна 3569 кДж/моль).

4. Исследования поверхностного натяжения расплавов железо-кислород показали, что кислород является поверхностно-активным компонентом. По данным Халдена и Кинжери [54], д расплава снижается с 1700 до 1050 мДж/м² при изменении [%О] в пределах 0…0,1 масс. долей, %. По формуле Гиббса (см. уравнение (3.12)) можно рассчитать максимальную адсорбцию. При [%O] = 0,08 адсорбция кислорода составляет 13*10^-6 моль/м². На один атом кислорода приходится площадь

Это близко к площади поверхности ячейки FeO на один атом кислорода (
= 0,081 нм²).

5. Коэффициент диффузии кислорода в расплавленном железе ниже, чем у ряда других примесей. Отсюда следует, что кислород перемещается в металле не в форме свободных атомов, а в форме относительно крупных молекул FeO (или в форме пар ионов Fe²⁺+O^2-).

6. При равновесии металла со шлаком [%O] пропорционален a(FeO) и при постоянном ее значении не зависит от активностей других оксидов (СаО, MgO, MnO и др.).

Следовательно, из шлака в металл переходят не просто ионы или атомы кислорода (такие частицы могут быть в шлаке и при отсут-ствии в нем FeO), а в паре с ионом или с атомом железа, т.е. Fe²⁺+O^2- или FeO.

Для реакции (FeO)=[Fe]+[O]

. (3.17)

По этой формуле при 1600⁰С L_o= 0,23.

При a_(FeO)= 1 (чистый оксид железа (II)) [%O] = 0,23.

Если a_(FeO) выразить в молярных долях, % (или в массовых долях, %), то L_o уменьшится в 100 раз и lgL_o уменьшится на 2:

(3.18)

При 1600⁰С L_o= 0,0023, при a_(FeO)= 100% [%O] = 0,23.

С ростом температуры резко увеличивается растворимость кислорода в железе (рис. 11). Растворимость кислорода в твердом железе ничтожно мала. Поэтому при кристаллизации металла оксид железа (II) выделяется по границам зерен и, находясь там в жидком состоянии, нарушает связь между зернами и вызывает “красноломкость” металла.

Рис. 11. Растворимость кислорода в жидком железе (под чистым оксидом железа (II)): * — данные Чипмена и Феттерса; х — данные Тейлора и Чипмена

Для обеспечения высокого качества стали необходимо снизить содержание в ней кислорода ниже предела его растворимости в твердом железе.

В записях реакций кислород в металле [O] без указаний зарядов. Раствор кислорода в железе можно считать приблизительно идеальным. Активность пропорциональна концентрации (при стандартном состоянии [%O] = 1 масс. доля, %; y₀ = 1; а = [%O]. Лишь при приближении [%O] к насыщению (0,23 масс. долей, % при 1600⁰С), по данным В.В. Аверина, А.Ю. Полякова и А.М. Самарина, y₀ становится несколько меньше единицы.

Присутствие в расплаве других элементов (С, Si и др.) приводит к значительному снижению y₀.