冶金动力学

绪论
•氧化物（球团）还原过程动力学； •冶金反应器中的混合、流动和传质。
化学反应动力学
§1 化学反应速率与浓度关系
1.1基元反应
一个化学反应方程式仅仅表示反应的初态和末态，即只表明反应的 原始物是什么，产物是什么以及反应的计量系数。至于反应的机理如 何，由反应物变为产物的过程中，要经过什么步骤，这从反应式是看 不出来的。 事实上，化学反应一般多是由若干个简单步骤－基元反应组成的。
n 1
半衰期公式
t1/ 2
2 n 1 1 n 1 (n 1)kCA 0
n 1
注意：k量纲与反应级数有关， mol(1n ) m3( n 1) s 1
化学反应动力学
§2 反应级数的测定
反应级数要由实验确定。首先应通过物理或化学方法测出一系列 浓度和时间关系的实验数据，然后再按以下方法处理。 1）积分法 将几组实验数据分别代入零级、一级、二级、…等反应的积分式 中，计算出k值。如某公式计算得到的k值基本守常，则该公式的 级数就是反应级数。 如果不论哪一公式计算得到的k值都不守常，则该反应一定是不 能用整数级数表示的复杂反应。
k物理意义：单位反应物浓度时的化学反应速率。 k与浓度无关；但是温度的函数。
1/k：化学反应的阻力。
a b C 推动力 a b AC B r kCACB 1/ k 阻力
化学反应动力学
质量作用定律只能用于基元反应。而实际发生的大部分反应为非基元 反应，或不能确定为基元反应，怎么办？ 处理方法：外推法（借助质量作用定律的数学形式） 对一般反应 可写成通式 化学反应级数： aA + bB gG
CA

CA
C A0
CA0 kt
特征1 t
化学反应动力学
半衰期：反应物由初始浓度消耗一半时所需的时间。 零级反应半衰期：
t1/ 2
t1/ 2
2）一级反应
C A0 2k
特征2
k A BC
dC A r kC A dt
lnCA
ln CA ln CA0 kt
t t
' 1/ 2 '' 1/ 2
C C
'' A0 ' A0

n 1
lg(t1' / 2 / t1''/ 2 ) n 1 '' ' lg(C A / C A0 ) 0
对一级反应，半衰期与初始浓度无关，其级数也服从上式。
对半衰期公式取对数：
lg t1/ 2 lg B (1 n) lg CA0
a)先让B物质过量，在反应过程中保持CB=常数
' r kC C k CA A B
确定 n= +
b)再让A物质过量，在反应过程中保持CA=常数
'' r kC C k CB A B
确定
例题 在569C测得甲醛热分解反应： HCHO(g)=H2+CO 在不同起始压力下的半衰期为： P0/kPa 16.0 19.5 22.0 27.1 30.0 35.3 49.5
以lgt1/2－lgp0作图得一直线，斜率为－0.98, 截距lgB=3.53 1-n=-0.98 对二级反应，B=1/k n=1+0.98=1.982 为二级反应
1 lg 3.53 k
k 2.92104 kPa1 s 1
复杂反应分析与速率与温度的 关系
姓名：王旭 学号：1104240605
CA0
CA0-x
r k1 (CA0 x)
r k1 (CB0 x)
化学反应动力学
净速率
r
dC A r r k1 (C A0 x) k 1 (C B0 x) dt
k1CA0 k1CB0 (k1 k1 ) x
对可逆反应，当t∞(x x∞)时，反应达到平衡，正、逆反应速率相等。
化学反应动力学
§3复杂反应分析
由两个或两个以上基元反应组合而成的反应－复杂反应。 根据基元反应的质量作用定量，可推得复杂反应的速率方程。 3.1可逆反应 正向和逆向反应同时进行的反应称为可逆反应。 以最简单的一级可逆反应为例
k1
A
t=0
t=t 正反应速率
k 1
B
CB0
CB0＋x 逆反应速率
冶金动力学：研究冶金反应过程的速率和机理的学科分支
热力学
动力学
可能性
可行性
一个反应如在热力学上不可能，则不必进行动力学的可行性研究； 一个反应如在热力学上可能，还必须进行动力学的可行性研究：在什 么条件下能已可观的速度进行；机理如何；有哪些影响因素等。
绪论
一个反应在热力学上“可能”，动力学上不一定“可行”
2 n 1 1 B k (n 1)
与CA0无 关常数
化学反应动力学
如实验测得一系列不同CA0下得半衰期t1/2，则以lgt1/2－lgCA0作图应 为一直线。 从直线斜率(1-n) n; 从截距 k 4)微分法 对只有一种反应物的反应 lgt1/2
dC A n r kC A dt
CA0-x CB0-x
x
dx r kC ACB k (C A 0 x)( CB0 x) dt
(C A0 x)CB0 1 ln kt C A0 CB0 (CB0 x)C A0
A半衰期 B半衰期
t1/ 2, A
C A0 CB0 1 1 ln(2 ) t1/ 2, B ln(2 ) k (C A0 CB0 ) CB0 k (C A0 CB0 ) C A0
r kC C A B
、：由实验确定 n=0:零级反应 n=1:一级反应 n=2:二级反应 n=分数:分数级反应
n= ＋＋• • •
化学反应动力学
1.3冶金中常见的几种类型的化学反应速率公式 1）零级反应 t=0 t=t
k A B
CA0 CA 积分
dC A 0 r kC A k dt
冶金过程动力学（Ⅰ）
绪论
1.冶金动力学研究的目的、意义和内容
冶金物理化学
冶金热力学
冶金动力学
冶金电化学
单独设课
冶金热力学：研究冶金反应的方向、限度和进行的可能性。 手段：利用体系始、末态的性质和状态函数的变化值，如 特点：只重视过程变化的两端，而不涉及具体的途径。
G(G )
绪论
在实际生产过程中，要提高生产率，对过程进行优化和动态控制，必 须解决： 速率 机理（具体步骤）
化学反应动力学
例题 已知25℃时，有过量盐酸存在下，乙酸甲脂的水解反应对乙 酸甲脂为一级：
CH 3COOCH3 H 2O CH 3OH CH 3COOH
k=5.6010-5s-1。求半衰期以及反应100min后乙酸甲脂的水解度。 解：由于是一级反应，故
H
ln 2 ln 2 4 t1/ 2 1 . 24 10 s 5 k 5.60 10 CA 0 C A0 ln ln kt 5.6 10 5 100 60 0.336 CA C A0 x
绪论
过程速率的影响，这部分内容又称为宏观动力学。
2.特定、现状
热力学：原理性理论，建立在热力学三大定律绝对定理基础上，经 严格数学逻辑性演绎得到的，它没有任何假设，其结论是不可违背 的。
动力学：结构性理论，由于研究体系的复杂性、影响因素繁多，要 引入一些假设，其结论不十分严格。
在动力学中，我们会接触到各种各样的数学模型，它们都是建立在 一定的假设基础上的。 目前冶金动力学研究的主要方向： •材料氧化过程动力学及其影响因素； •材料合成过程动力学；
Cl + Cl Cl2
H2+Cl2=2HCl
非基元反应
以上每一步都是基元反应
1.2质量作用定律（反应速率与浓度关系定律） 在一定温度下，基元反应瞬时速率与各反应物瞬时浓度的若干次幂的 乘积成正比，浓度的方次等于化学反应式中相应物质的化学计量系数 －质量作用定律。 设有基元反应 aA + bB dD + eE
t1/2/s
211
177
158
132
114
98
69
试用作图法确定反应级数，并计算反应速度常数。 解：因压力与浓度成正比，故计算时以压力代替浓度。
化学反应动力学
lgp0/kPa lgt1/2/s 1.20 1.29 1.34 1.43 1.48 1.55 1.69 2.32 2.25 2.20 2.12 2.06 1.99 1.84
lg r lg k n lg CA
表明，lgr－lgCA作图为一直线，其斜率值为n
lgCA0
化学反应动力学
CA lgr
CA1
CA2 CA3
r1
r2 r3
t1 t2 t3
t
lgCA
r kC C A B
如反应物有两种或两种以上，则采用溢流法
aA bB P
k
化学反应动力学
化学反应动力学
不考虑逆反应，反应速率可表示为：
r
dCi i dt
r
dC A dC dC D dC E B adt bdt ddt edt
C: mol/m3
r: mol/m3•s
质量作用定律可表示为：
r C C
a A
b B
r kC C
a A
b B
a、b:化学计量系数；
k:化学反应速率常数
1 H 2( g ) O2( g ) H 2O( g ) 2
G298 kJ / mol K 237
C(金刚石) C(石墨)
G298 J / mol K 2778