以锌粉置换提银为例讨论置换反应动力学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,以锌粉置换提银为例讨论置换反应动力学,张焕然,置换反应定义,置换反应是单质与化合物反应生成另外的单质和化合物的化学反应，任何置换反应都属于复分解反应，包括金属与金属盐的反应，金属与酸的反应等。,可表示为：,A+BC=B+AC,置换反应的分类,根据反应环境分类,1）干态置换 在加热或高温条条件下固固或固气之间发生的置换反应,2）湿态置换 顾名思义是指在水溶液环境中进行的置换反应,3）熔融置换 在熔融条件下发生的置换反应,根据元素性质分类,1）金属单质置换金属单质（如铝热反应）,2）金属单质置换非金属单质,3）非金属单质置换金属单质,4）非金属单质置换非金属单质,根据元素周期表中的位置不同，置换反应又可以分为：,1）同主族元素单质间的置换,2）不同主族元素单质间的置换,3）主族元素单质置换副族元素的单质,4）副族元素的单质置换主族元素单质,5）副族元素的单质置换副族元素的单质,根据物质类别分类,1）单质与氧化物发生置换反应 例如：,C+FeO=Fe+CO,2Na+2H,2,O=2NaOH+H,2,2）单质与非氧化物发生置换反应,例如:2Mg+TiCl,4,=Ti+2MgCl,2,2Al+6HCl=2AlCl3+3H2,尽管在不同的标准下，置换反应有不同的分类方法，但是我们应该知道置换反应总是根据金属活泼性顺序表发生的，即通过加入电位序较高的物质将电位序较底的物质置换析出。,其中10号氢是过渡元素，它前面的可以置换出氢,它后面的则不可以。也就是说,氢前面的可以和酸反应生成氢气，而氢后面的基本不和酸反应，就算反应也不生成氢气。,K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au,金属活性顺序表,冶金热力学和动力学,冶金过程通常是有多相存在和有流体流动下的物理化学过程。对于这样一个物理化学过程，通常是从热力学（thermodynamics）和动力学（dynamics）两个方面进行研究的。热力学是研究体系变化过程的可能性（possibility），方向（direction）和限度（extend），它只考虑体系变化过程的起始状态和最终状态。而动力学则是研究体系变化过程的速率和机理，探究变化的历程和反应机构。,冶金动力学研究的内容,冶金反应的速率，其中包括最简单的基元反应的真实速率或复杂反应的综合速率。,冶金反应的机理，从微观角度在分子或原子水平上研究反应过程的具体行径（反应质点的组合细节、转变步骤）。,确定反应速率的限制性环节进而导出动力学方程。,研究冶金动力学的意义,冶金过程动力学是强化冶炼过程、缩短冶炼时间、节约能源、提高生产率 降低成本、提高冶金产品质量、促进冶金工业自动化和信息化、探究和开发冶金新技术和新流程的重要科学方法和手段。因此，在学习过程中需要进行细致、深入的研究。,锌粉置换提银实验,试剂粗铜中提取得到纯净絮状AgCl、锌粉、10%硫酸。,实验器材磁力加热搅拌器、500ml烧杯、玻璃棒等。,实验装置,实验原理,由于Zn的金属活性远高于Ag的活性，而H的活性又高于Ag，因此向AgCl悬浮液中加入锌粉会将Ag置换析出而不放出氢气。,发生的反应为：,2AgCl,Zn=2Ag+ZnCl,2,试验过程,配置AgCl悬浮液200ml，用10%稀硫酸调节其pH=2-3，以磁力加热搅拌器控温40，维持搅拌速度350r/min。在此过程中加入锌粉，其原则是少加勤加，控制置换终点pH=5-6。,锌粉置换提银反应模型,试验分析,此置换试验为固-固相之间的反应，与固-液置换反应既有相同之处，也有不同之处。其相同之处在与反应的推动力都是离子化学位的局部变化；其不同之处在于固态反应不可能达到原子或分子水平的均匀混合，因此反应需要动力学方面的强化才能够发生。,温度的影响微观上来讲温度代表了物体分子热运动的剧烈程度。在冶金过程中，提高温度能够使反应体系内部均匀化程度提高，从而达到强化冶金过程的目的。,搅拌强度由于Ag,+,与Zn标准电极电位差为1.56V。而当标准电极电位差大于0.36V时反应即属于扩散控制。因此加强搅拌有利与界面反应生成物的脱离，提高锌粉与Ag接触概率，提高反应速度。,锌粉粒度的影响实际锌粉并非单一粒级的固体颗粒，而是不同粒度固体颗粒的混合物。由于不同粒度的固体颗粒具有不同的比表面积，且固体颗粒的粒度越小，其比表面积越大，因此降低锌粉粒度，可以使总的反应速率加快。,AgCl的致密程度致密程度在反应中表现在扩散速度和接触面积上，疏松物料在反应过程中有利于其它反应物在其中的扩散，能够扩大反应的接触面积，从而提高反应速率。由于本实验使用AgCl为新鲜沉淀，质地疏松，表面活性较大，因此置换反应进行速度较快。,除了上述影响因素外，置换反应中反应速度还可能受到物质的组成、化学性质、晶体结构、内部缺陷、杂质含量等内部因素的影响，受到反应体系气氛、压力、添加剂等外部因素的影响，总之，反应是所有条件共同影响的结果。,反应动力学模型,有固态产物层形成的反应模型,a 外扩散,b 内扩散,c 界面化学反应,边界层,产物层,未反应核,生成固态产物的反应模型,界面化学反应模型当界面化学反应速率远小于反应物通过产物曾的扩散速率时，反应的速率便受界面化学反应的控制。,扩散控制模型当反应物（生成物）扩散速度或固体生成物脱离速度远小于界面化学反应速率时，反应的速率即为扩散过程所控制。人们根据不同的条件提出了相应的数学模型：平板扩散模型、球行颗粒的杨德模型、晋斯利布鲁斯坦方程等。,化学反应和扩散混合控制模型当界面化学反应速率与反应物的扩散速率比较接近时，化学反应便处于混合控制区，此时应综合考虑各方面对反应的影响。,Thank you!,