以鋅粉置換提銀為例討論置換反應動力學

關于以鋅粉置換提銀為例討論置換反應動力學第1頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三置換反應定義置換反應是單質(zhì)與化合物反應生成另外的單質(zhì)和化合物的化學反應，任何置換反應都屬于復分解反應，包括金屬與金屬鹽的反應，金屬與酸的反應等。可表示為：A+BC=B+AC第2頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三置換反應的分類根據(jù)反應環(huán)境分類

1）干態(tài)置換在加熱或高溫條條件下固固或固氣之間發(fā)生的置換反應

2）濕態(tài)置換顧名思義是指在水溶液環(huán)境中進行的置換反應

3）熔融置換在熔融條件下發(fā)生的置換反應根據(jù)元素性質(zhì)分類

1）金屬單質(zhì)置換金屬單質(zhì)（如鋁熱反應）

2）金屬單質(zhì)置換非金屬單質(zhì)

3）非金屬單質(zhì)置換金屬單質(zhì)

4）非金屬單質(zhì)置換非金屬單質(zhì)第3頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三根據(jù)元素周期表中的位置不同，置換反應又可以分為：

1）同主族元素單質(zhì)間的置換

2）不同主族元素單質(zhì)間的置換

3）主族元素單質(zhì)置換副族元素的單質(zhì)

4）副族元素的單質(zhì)置換主族元素單質(zhì)5）副族元素的單質(zhì)置換副族元素的單質(zhì)根據(jù)物質(zhì)類別分類

1）單質(zhì)與氧化物發(fā)生置換反應例如：

C+FeO=Fe+CO2Na+2H2O=2NaOH+H2

2）單質(zhì)與非氧化物發(fā)生置換反應例如:2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2

2Al+6HCl=2AlCl3+3H2第4頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三盡管在不同的標準下，置換反應有不同的分類方法，但是我們應該知道置換反應總是根據(jù)金屬活潑性順序表發(fā)生的，即通過加入電位序較高的物質(zhì)將電位序較底的物質(zhì)置換析出。其中10號氫是過渡元素，它前面的可以置換出氫,它后面的則不可以。也就是說,氫前面的可以和酸反應生成氫氣，而氫后面的基本不和酸反應，就算反應也不生成氫氣。KCaNaMgAlZnFeSnPbHCuHgAgPtAu金屬活性順序表第5頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三冶金熱力學和動力學冶金過程通常是有多相存在和有流體流動下的物理化學過程。對于這樣一個物理化學過程，通常是從熱力學（thermodynamics）和動力學（dynamics）兩個方面進行研究的。熱力學是研究體系變化過程的可能性（possibility），方向（direction）和限度（extend），它只考慮體系變化過程的起始狀態(tài)和最終狀態(tài)。而動力學則是研究體系變化過程的速率和機理，探究變化的歷程和反應機構。第6頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三冶金動力學研究的內(nèi)容冶金反應的速率，其中包括最簡單的基元反應的真實速率或復雜反應的綜合速率。冶金反應的機理，從微觀角度在分子或原子水平上研究反應過程的具體行徑（反應質(zhì)點的組合細節(jié)、轉變步驟）。確定反應速率的限制性環(huán)節(jié)進而導出動力學方程。第7頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三研究冶金動力學的意義冶金過程動力學是強化冶煉過程、縮短冶煉時間、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)率降低成本、提高冶金產(chǎn)品質(zhì)量、促進冶金工業(yè)自動化和信息化、探究和開發(fā)冶金新技術和新流程的重要科學方法和手段。因此，在學習過程中需要進行細致、深入的研究。第8頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三鋅粉置換提銀實驗試劑粗銅中提取得到純凈絮狀AgCl、鋅粉、10%硫酸。實驗器材磁力加熱攪拌器、500ml燒杯、玻璃棒等。實驗裝置第9頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三實驗原理由于Zn的金屬活性遠高于Ag的活性，而H的活性又高于Ag，因此向AgCl懸浮液中加入鋅粉會將Ag置換析出而不放出氫氣。發(fā)生的反應為：2AgCl↓＋Zn=2Ag+ZnCl2

第10頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三試驗過程配置AgCl懸浮液200ml，用10%稀硫酸調(diào)節(jié)其pH=2-3，以磁力加熱攪拌器控溫40℃，維持攪拌速度350r/min。在此過程中加入鋅粉，其原則是少加勤加，控制置換終點pH=5-6。第11頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三鋅粉置換提銀反應模型第12頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三試驗分析此置換試驗為固-固相之間的反應，與固-液置換反應既有相同之處，也有不同之處。其相同之處在與反應的推動力都是離子化學位的局部變化；其不同之處在于固態(tài)反應不可能達到原子或分子水平的均勻混合，因此反應需要動力學方面的強化才能夠發(fā)生。第13頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三溫度的影響微觀上來講溫度代表了物體分子熱運動的劇烈程度。在冶金過程中，提高溫度能夠使反應體系內(nèi)部均勻化程度提高，從而達到強化冶金過程的目的。攪拌強度由于Ag+與Zn標準電極電位差為1.56V。而當標準電極電位差大于0.36V時反應即屬于擴散控制。因此加強攪拌有利與界面反應生成物的脫離，提高鋅粉與Ag接觸概率，提高反應速度。第14頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三鋅粉粒度的影響實際鋅粉并非單一粒級的固體顆粒，而是不同粒度固體顆粒的混合物。由于不同粒度的固體顆粒具有不同的比表面積，且固體顆粒的粒度越小，其比表面積越大，因此降低鋅粉粒度，可以使總的反應速率加快。AgCl的致密程度致密程度在反應中表現(xiàn)在擴散速度和接觸面積上，疏松物料在反應過程中有利于其它反應物在其中的擴散，能夠擴大反應的接觸面積，從而提高反應速率。由于本實驗使用AgCl為新鮮沉淀，質(zhì)地疏松，表面活性較大，因此置換反應進行速度較快。第15頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三除了上述影響因素外，置換反應中反應速度還可能受到物質(zhì)的組成、化學性質(zhì)、晶體結構、內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)含量等內(nèi)部因素的影響，受到反應體系氣氛、壓力、添加劑等外部因素的影響，總之，反應是所有條件共同影響的結果。第16頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三反應動力學模型有固態(tài)產(chǎn)物層形成的反應模型a外擴散b內(nèi)擴散c界面化學反應邊界層產(chǎn)物層未反應核生成固態(tài)產(chǎn)物的反應模型第17頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三界面化學反應模型當界面化學反應速率遠小于反應物通過產(chǎn)物曾的擴散速率時，反應的速率便受界面化學反應的控制。擴散控制模型當反應物（生成物）擴散速度或固體生成物脫離速度遠小于界面化學反應速率時，反應的速率即為擴散過程所控制。人們根據(jù)不同的條件提出了相應的數(shù)學模型：平板擴散模型、球行顆粒的楊德模型、晉斯利－布魯斯坦方程等。第18頁，講稿共21頁，2023年5月2日，星期三化學反應和擴散混合控制模型