以鋅粉置換提銀為例討論置換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

關(guān)于以鋅粉置換提銀為例討論置換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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?？杀硎緸椋篈+BC=B+AC第2頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天置換反應(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)置換非金屬單質(zhì)第3頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天根據(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+CO2Na+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第4頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天盡管在不同的標(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。KCaNaMgAlZnFeSnPbHCuHgAgPtAu金屬活性順序表第5頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天冶金熱力學(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（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)。第6頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天冶金動(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。第7頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究冶金動(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。第8頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋅粉置換提銀實(shí)驗(yàn)試劑粗銅中提取得到純凈絮狀A(yù)gCl、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)裝置第9頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(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

第10頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天試驗(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?50r/min。在此過(guò)程中加入鋅粉，其原則是少加勤加，控制置換終點(diǎn)pH=5-6。第11頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋅粉置換提銀反應(yīng)模型第12頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天試驗(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。第13頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天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。第14頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋅粉粒度的影響實(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。第15頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天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。第16頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天反應(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)模型第17頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天界面化學(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。第18頁(yè),共21頁(yè)，2024年2月25日，星期天化學(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)