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1、以鋅粉置換提銀為例討論置換 反應動力學 張煥然 2010.11.23 置換反應定義 置換反應是單質與化合物反應生成另外的 單質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 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)元素性質分類 1）金屬單質置換金屬單質 （如鋁熱反應） 2）金屬單質置換非金屬單 質 3）非金屬單質置換金屬單 質 4）非金屬單質置換

2、非金屬 單質 根據(jù)元素周期表中的位置 不同，置換反應又可以分 為： 1）同主族元素單質間的置 換 2）不同主族元素單質間的 置換 3）主族元素單質置換副族 元素的單質 4）副族元素的單質置換主 族元素單質 5）副族元素的單質置換副族 元素的單質 根據(jù)物質類別分類 1）單質與氧化物發(fā)生置換 反應 例如： C+FeO=Fe+CO 2Na+2H2O=2NaOH+H2 2）單質與非氧化物發(fā)生置 換反應 例如 : 2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2 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

3、過加入電位序較高的物質將電位序較底的 物質置換析出。 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。 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 （

4、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。 冶金動力學研究的內容 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。 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

5、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。 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 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 試驗過程 配置 AgCl懸浮液 200ml，用 10%稀硫酸調節(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

6、則是少加勤加，控制置換終點 pH=5-6。 鋅粉置換提銀反應模型 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。 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

7、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。 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，質地疏松，表面活性較大，因 此置換反應進行速度較快。 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的組成、化

8、學性質、 晶體結構、內部缺陷、雜質含量等內部因 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。 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 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。 化學反應和擴散混合控制模型 當界面化 學反應速率與反應物的擴散速率比較接近 時，化學反應便處于混合控制區(qū)，此時應 綜合考慮各方面對反應的影響。 Thank you!