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1、以鋅粉置換提銀為例討論置換 反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 張煥然 2010.11.23 置換反應(yīng)定義 置換反應(yīng)是單質(zhì)與化合物反應(yīng)生成另外的 單質(zhì)和化合物的化學(xué)反應(yīng)，任何置換反應(yīng) 都屬于復(fù)分解反應(yīng)，包括金屬與金屬鹽的 反應(yīng)，金屬與酸的反應(yīng)等。 可表示為： A+BC=B+AC 置換反應(yīng)的分類 根據(jù)反應(yīng)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(yīng) 2）濕態(tài)置換 顧名思義是指 在水溶液環(huán)境中進(jìn)行的置 換反應(yīng) 3）熔融置換 在熔融條件下 發(fā)生的置換反應(yīng) 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(yīng)） 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
2、非金屬 單質(zhì) 根據(jù)元素周期表中的位置 不同，置換反應(yīng)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(yīng) 例如： C+FeO=Fe+CO 2Na+2H2O=2NaOH+H2 2）單質(zhì)與非氧化物發(fā)生置 換反應(yīng) 例如 : 2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2 盡管在不同的標(biāo)準(zhǔn)下，置換反應(yīng)有不同 的分類方法，但是我們應(yīng)該知道置換反應(yīng) 總是根據(jù)金屬活潑性順序表發(fā)生的，即通
3、過(guò)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(hào)氫是過(guò)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(shuō) ,氫前 面的可以和酸反應(yīng)生成氫氣，而氫后面的 基本不和酸反應(yīng)，就算反應(yīng)也不生成氫氣。 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au 金屬活性順序表 冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué) 冶金過(guò)程通常是有多相存在和有流體流動(dòng)下的物 理化學(xué)過(guò)程。對(duì)于這樣一個(gè)物理化學(xué)過(guò)程，通常 是從熱力學(xué)（ thermodynamics）和動(dòng)力學(xué) （ dynamics）兩個(gè)方面進(jìn)行研究的。熱力學(xué)是研 究體系變化過(guò)程的可能性（ possibility），方向 （
4、direction）和限度（ extend），它只考慮體系 變化過(guò)程的起始狀態(tài)和最終狀態(tài)。而動(dòng)力學(xué)則是 研究體系變化過(guò)程的速率和機(jī)理，探究變化的歷 程和反應(yīng)機(jī)構(gòu)。 冶金動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容 冶金反應(yīng)的速率，其中包括最簡(jiǎn)單的基元 反應(yīng)的真實(shí)速率或復(fù)雜反應(yīng)的綜合速率。 冶金反應(yīng)的機(jī)理，從微觀角度在分子或原 子水平上研究反應(yīng)過(guò)程的具體行徑（反應(yīng) 質(zhì)點(diǎn)的組合細(xì)節(jié)、轉(zhuǎn)變步驟）。 確定反應(yīng)速率的限制性環(huán)節(jié)進(jìn)而導(dǎo)出動(dòng)力 學(xué)方程。 研究冶金動(dòng)力學(xué)的意義 冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)是強(qiáng)化冶煉過(guò)程、縮短冶 煉時(shí)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(jìn)冶金工業(yè)自動(dòng)化 和信息化 、探究和開(kāi)發(fā)冶金新技術(shù)和新流
5、程的重要科學(xué)方法和手段。因此，在學(xué)習(xí) 過(guò)程中需要進(jìn)行細(xì)致、深入的研究。 鋅粉置換提銀實(shí)驗(yàn) 試劑 粗銅中提取得 到純凈絮狀 AgCl、鋅 粉、 10%硫酸。 實(shí)驗(yàn)器材 磁力加熱 攪拌器、 500ml燒杯、 玻璃棒等。 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)原理 由于 Zn的金屬活性遠(yuǎn)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(huì)將 Ag置換析出而不放出氫氣。 發(fā)生的反應(yīng)為： 2AgCl Zn=2Ag+ZnCl2 試驗(yàn)過(guò)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?jǐn)嚢杷俣?350r/min。在此過(guò)程中加入 鋅粉，其原
6、則是少加勤加，控制置換終點(diǎn) pH=5-6。 鋅粉置換提銀反應(yīng)模型 試驗(yàn)分析 此置換試驗(yàn)為固 -固相之間的反應(yīng)，與固 -液 置換反應(yīng)既有相同之處，也有不同之處。 其相同之處在與反應(yīng)的推動(dòng)力都是離子化 學(xué)位的局部變化；其不同之處在于固態(tài)反 應(yīng)不可能達(dá)到原子或分子水平的均勻混合， 因此反應(yīng)需要?jiǎng)恿W(xué)方面的強(qiáng)化才能夠發(fā) 生。 溫度的影響 微觀上來(lái)講溫度代表了物體 分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。在冶金過(guò)程中， 提高溫度能夠使反應(yīng)體系內(nèi)部均勻化程度 提高，從而達(dá)到強(qiáng)化冶金過(guò)程的目的。 攪拌強(qiáng)度 由于 Ag+與 Zn標(biāo)準(zhǔn)電極電位差為 1.56V。而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電極電位差大于 0.36V時(shí) 反應(yīng)即屬于擴(kuò)散控制。因此加強(qiáng)攪拌
7、有利 與界面反應(yīng)生成物的脫離，提高鋅粉與 Ag 接觸概率，提高反應(yīng)速度。 鋅粉粒度的影響 實(shí)際鋅粉并非單一粒級(jí)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(yīng)速率加快。 AgCl的致密程度 致密程度在反應(yīng)中表現(xiàn)在擴(kuò)散 速度和接觸面積上，疏松物料在反應(yīng)過(guò)程中有利 于其它反應(yīng)物在其中的擴(kuò)散，能夠擴(kuò)大反應(yīng)的接 觸面積，從而提高反應(yīng)速率。由于本實(shí)驗(yàn)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(yīng)進(jìn)行速度較快。 除了上述影響因素外，置換反應(yīng)中反應(yīng) 速度還可能受到物質(zhì)的組成、化
8、學(xué)性質(zhì)、 晶體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)含量等內(nèi)部因 素的影響，受到反應(yīng)體系氣氛、壓力、添 加劑等外部因素的影響，總之，反應(yīng)是所 有條件共同影響的結(jié)果。 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型 有固態(tài)產(chǎn)物層形成的 反應(yīng)模型 a 外擴(kuò)散 b 內(nèi)擴(kuò)散 c 界面化學(xué)反應(yīng) 邊界層 產(chǎn)物層 未反應(yīng)核 生成固態(tài)產(chǎn)物的反應(yīng)模型 界面化學(xué)反應(yīng)模型 當(dāng)界面化學(xué)反應(yīng)速率 遠(yuǎn)小于反應(yīng)物通過(guò)產(chǎn)物曾的擴(kuò)散速率時(shí)， 反應(yīng)的速率便受界面化學(xué)反應(yīng)的控制。 擴(kuò)散控制模型 當(dāng)反應(yīng)物（生成物）擴(kuò)散 速度或固體生成物脫離速度遠(yuǎn)小于界面化 學(xué)反應(yīng)速率時(shí)，反應(yīng)的速率即為擴(kuò)散過(guò)程 所控制。人們根據(jù)不同的條件提出了相應(yīng) 的數(shù)學(xué)模型：平板擴(kuò)散模型、球行顆粒的 楊德模型、晉斯利布魯斯坦方程等。 化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散混合控制模型 當(dāng)界面化 學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物的擴(kuò)散速率比較接近 時(shí)，化學(xué)反應(yīng)便處于混合控制區(qū)，此時(shí)應(yīng) 綜合考慮各方面對(duì)反應(yīng)的影響。 Thank you!
以鋅粉置換提銀為例討論置換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
