实验3 固相反应
化学物质的固相反应
化学物质的固相反应化学反应是物质转化的重要过程之一，固相反应是其中一种类型。
固相反应是指在固体状态下发生的化学反应。
本文将介绍固相反应的概念、特点和应用。
一、固相反应的概念固相反应是指在固体状态下，由于固体颗粒之间的相互作用而产生的化学反应。
在固相反应中，反应物和生成物均是固态，无需溶剂参与。
二、固相反应的特点1. 速率较慢：固相反应的速率通常较慢，因为固体颗粒之间的相互作用力较大，反应物分子难以有效地碰撞。
2. 反应受温度影响较大：温度是影响固相反应速率的主要因素，增高温度能够提高反应速率。
3. 反应物浓度对反应速率的影响较小：在固相反应中，反应物浓度对反应速率的影响相对较小，因为反应物在固体中的浓度基本保持稳定。
4. 反应伴随体积变化：固相反应通常伴随着体积的变化，形成产物的体积可能与反应物不同。
三、固相反应的应用固相反应在众多工业和日常生活中具有重要应用价值。
1. 冶金领域：金属的提取和熔炼过程中常涉及固相反应，如还原反应、焙烧反应等。
2. 陶瓷制造：陶瓷材料的制备过程中常使用固相反应，如瓷砖的制造。
3. 材料合成：通过固相反应可合成出一些特殊材料，如多孔材料、阻燃材料等。
4. 催化剂制备：固相反应在催化剂的制备过程中广泛应用，常用于制备高效、可再生的催化剂。
5. 药物合成：一些药物的合成过程中也需要固相反应的参与，如化学合成药物。
四、固相反应的实验方法1. 固体混合反应：将不同固体反应物混合均匀后进行加热，观察体系的颜色、状态变化等来判断反应的进行与否。
2. 固体与液体反应：将固体与液体反应物混合，并通过加热或搅拌等手段促进反应。
3. 固体与气体反应：将固体和气体反应物（气体通常为氧气）置于合适的设备中进行反应，如固体燃烧反应。
综上所述，固相反应是固体状态下发生的化学反应。
固相反应的特点包括速率较慢、温度影响较大、反应物浓度影响较小以及反应伴随体积变化。
固相反应具有广泛的应用领域，在冶金、陶瓷制造、材料合成、催化剂制备和药物合成等方面起着重要作用。
3.1固相反应
高温条件下，MgO与Al2O3反应生成尖晶石型MgA12O4 第二阶段：实现在晶核上的晶体生长 实现这步也有相当的困难。因为对 原料中的Mg2+和Al3+来讲，需要横跨两
个界面的扩散才有可能在核上发生晶体
生长反应，并使原料界面间的产物层加 厚。因此很明显地可以看到，决定此反
应的控制步骤应该是晶格中Mg2+和Al3+
从结构角度看，反应物中质点间的作用键愈
大，则可动性和反应能力愈小，反之亦然。
其次，在同一反应系统中，固相反应速度还
与各反应物间的比例有关。如果颗粒相同的 A
和 B 反应生成物 AB ，若改变 A 与 B 比例会
改变产物层温度、反应物表面积和扩散截面积
的大小，从而影响反应速度。
当反应混合物中加入少量矿化剂（也可能
以碳元素组成的四种骨架结构为例来说明固体结 构与反应性的关系：
金刚石：三维晶体
它在一定的温度范围内几乎对所有试剂都是稳定的；
石墨： 层状结构，在室温到 450 ℃温度范围内很容
易与其它物质发生嵌入反应，生成层状嵌入化台物， 当然这种反应是可逆的
聚乙炔：一维固体,
电性，例如：
很容易被掺杂(类似于嵌入反应)而具有良好的导
根据海德华定律，即物质在转变温度附近
质点可动性显著增大、晶格松懈和活化的原理，
工艺上可以利用多晶转变伴随的晶格重排来活
化晶格；或是利用热分解反应和脱水反应形式
具有较大比表面和晶格缺陷的初生态或无定形
物质等措施提高反应活性。
五、低热固相化学反应
低热固相化学反应的特有规律
低热固相反应与液相反应的差别
扩散控制过程；
固相反应
一、固相反应法的特点固相法是通过从固相到固相的变化来制造粉体，其特征是不像气相法和液相法伴随有气相→固相、液相→固相那样的状态（相）变化。
对于气相或液相，分子（原子）有很大的易动度，所以集合状态是均匀的，对外界条件的反应很敏感。
另一方面，对于固相，分子（原子）的扩散很迟缓，集合状态是多样的。
固相法其原料本身是固体，这较之于液体和气体都有很大的差异。
固相法所得的固相粉体和最初固相原料可以使同一物质，也可以不是同一物质。
[1] 二、物质粉末化机理一类是将大块物质极细地分割，称作尺寸降低过程，其特点是物质无变化，常用的方法是机械粉碎（用普通球磨、振磨、搅拌磨、高能球磨、喷射磨等进行粉碎），化学处理（溶出法）等。
另一类是将最小单位（分子或原子）组合，称作构筑过程，其特征是物质发生了变化，常用的方法有热分解法（大多数是盐的分解），固相反应法（大多数是化合物，包括化合反应和氧化还原反应），火花放电法（常用金属铝产生氢氧化铝）等。
三、固相反应的具体方法1、机械粉碎法主要应用是球磨法，机械球磨法工艺的主要目的包括离子尺寸的减小、固态合金化、混合或融合以及改变离子的形状。
目前已形成各种方法，如滚转磨、振动磨和平面磨。
采用球磨方法，控制适合的条件可以得到纯元素、合金或者是复合材料的纳米粒子。
其特点是操作简单、成本低，但产品容易被污染，因此纯度低，颗粒分布不均匀[2]。
2、热分解法热分解反应不仅仅限于固相，气体和液体也可引发热分解反应，在此只讨论固相的分解反应，固相热分解生成新的固相系统，常用如下式子表示（S代表固相、G代表气相）：121 1212 SSGSSGG 第一个式子是最普通的，第二个式子是第一个式子的特殊情况。
热分解反应基本是第一式的情况。
3、固相反应法由固相热分解可获得单一的金属氧化物，但氧化物以外的物质，如碳化物、硅化物、氮化物等以及含两种金属元素以上的氧化物制成的化合物，仅仅用热分解就很难制备，通常是按最终合成所需组成的原料化合，再用高温使其反应的方法，其一般工序如左图所示。
材料科学基础 固相反应
材料科学基础-----固相反应
动力学的任务之一是把反应量和时间的关 系用数学式表示出来，以便知道在某个温度， 时间条件下，反应进行到什么程度，反应要 经过多少时间完成。
由于不同的反应机理，动力学公式是不一 样的，测定不同的反应速度，可用具体的动 力学方程。
材料科学基础-----固相反应
反应速度以单位时间内，单位体积中反应 物的减少（或产物的增加）表示，对于最简 单反应AB，反应速度表示为
（1）蒸发反应 蒸发反应的起因是固相物质的饱和蒸汽压，当饱和蒸汽
压大于固相表面处平衡蒸汽压时，固相物质就不断离开固 相表面。相反过程就是表面处的蒸汽原子落回到表面处， 产生凝聚过程。利用这种蒸发-凝聚过程，控制其热力学、 动力学条件，可制备出各种新型薄膜类材料。
（2）气相生长反应 气相生长反应可制备具有高纯、高分散性和高均匀性要
固体材料在一定的温度、压力范围内具有一种热力学稳 定的晶体结构，随着温度、压力条件变化，其晶体结构 会发生变化，并伴随着材料的力学、电学、磁学性能等 的变化
不同固体结构之间的关联规律可以通过相图进行分析和 判读。这种化学组成不变、晶型发生转变的固相-固相转 变反应称为固态相变反应
材料科学基础-----固相反应
材料科学基础-----固相反应
第三节 固 相 反 应 动 力 学
固相反应动力学是化学反应动力学的一个组成部分，任 务是研究固相之间反应速度，机理和影响反应速度因素
固相反应本身很复杂，一个固相反应过程，除了界面上 化学反应，反应物通过产物层扩散等方面，还可能包括 升华、蒸发、熔融、结晶、吸附等
固相反应的速度由构成它的各方面的反应速度组成。在 不同固相反应中（或同一固相反应的不同阶段），往往 只是某个反应速度最慢的过程起控制作用。
材料化学第四章固相反应
界I，氧气通过气相传质，于是在相界I上
发生反应：
M 2 g A 3 O l6 e 3 /2 O 2 M 2 O 4 gAl
I
II
MgO MgAl2O4 Al2O3
3/2O2
b
2Al3+
6e
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c 表示了3种可能性:
其一为Al3+通过产物而迁移
I
II
到相界I，Mg2+则通过产物 而迁移到相界II，于是在相
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然而对于非均相的固相反应，式 （4-9）不能直接用于描述化学反应动 力学关系。因为对于大多数固相反应， 浓度的概念对反应整体已失去了意义。
为了描述非均相的固相反应,人们引 入了转化率G的概念 来取代均相反应中 浓度的概念.
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所谓转化率: 参与反应的一种反应物，在反应
MgO与Al2O3要进一步发生反应必须扩散通过反应 产物层。这类反应的进程有多种的可能性，如图4-2 所示。
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I
II
MgO MgAl2O4 Al2O3
a
1/2O2
Mg2+
2e
MgO MgAl2O4 Al2O3
3/2O2
b
2Al3+
6e
I
II
MgO MgAl2O4 Al2O3
3Mg2+
氧气在产物层中的扩散系数vd也就是氧气提供的速度41422012112223当整个反应过程达到稳定时氧气提供的速度和氧气消耗的速度相等dxdcdckc由此可见由扩散和化学反应构成的固相反应历程其整体反应速度的倒数为扩散最大速率倒数和化学反应最大速率倒数之为外界氧气浓度43442012112224化学反应速度时化学反应由速度控制表明
固相反应模型
第七章固相反应固相反应-主要是固相参加甚至液相也可参与作用的反应，水、玻、陶系统的固相反应。
一、固相反应概述固相反应-固体参与直接化学反应，发生化学变化，同时至少在固体内部或外部的一个过程，起控制作用的化学反应。
还包括扩散和传热过程。
包括液气相参与金属氧化：碳酸盐、硝酸盐分解，矿物脱水，泰曼对金属氧化物的研究：生成化合物-其厚度X同反应时间T的关系x+=lnrct固相T可以反应其认为：（1）固相间直接进行反应，液气相没有或不起作用（2）反应开始温度远低于反应时的熔化或系统的低共熔温度，即一种反应物发生显著变化的温度-泰曼温度（烧结温度）泰曼温度与熔点T m关系金属0.3~0.4Tm，硅酸盐0.8~0.9T m（3）当反应物有多晶转变，则此温度为反应开始变为显著的温度-海德华定律，金斯特林格认为，气相、液相也对固相反应起重要作用，反应物所以挥发成气，液相，通过颗粒外部扩散-另一固相物非接触表面反应-取决于反应物的挥发和低共熔温度。
固相反应有以下共同特点：（1）速度较慢-固体质点间键力大，其反应也降低。
（2）通常在高温下进行-高温传质，传热过程对反应速度影响较大。
二、固相反应分类1、按反应相态分类：纯固相反应-反应物实物均为固相，有液相参与的反应，有气相参与的反应三种。
2、按化学反应性质分类：氧化反应：)()()(S Ab g B S A →+ 还原反应：mO g O zn 2)(212→+ )()()()(g BC s A g C S AB +→+O H Cr H CnsO 22332+→+加成反应：)()()(S AB S B S A →+4232O MgAl O Al MgO →+-置换反应：)()()()(S B S AC S BC S A +→+)()()()(S BC s AD S RD S AC +→+Ag CaCl Agcl Cu +→+2Cl Na Ag NaCl AgCl 2+→+分解反应：)()()(g B S A S AB +→↑+→23CO MgO MgCO3、按反应机理分类：化学反应速率控制过程；晶体长大控制过程；扩散控制过程。
固相反应完整
固相反应的热力学
❖ 范特荷甫规则：对于反应物和产物均是固 相的纯固相反应，反应总是向放热方向进 行，一直到反应物一直消耗完为止，只有 在非常特殊的情况下才有可能出现平衡。
❖ G=H-TS，对于纯固相过程， S0， 所以GH，只有当H<0即放热方向反 应才能发生。
❖ 如果有气体或液体参与反应，该规则不适 用。
（一）固相反应的定义 广义：凡是有固相参与的化学反应，都可
称为固相反应 。
固体热分解、氧化及固－固、固－液间的化学反应
狭义：固体与固体间发生化学反应生成新 的固体产物的过程。
2、 特点：
固体质点间作用力很大，扩散受到限制，而且反应组分局 限在固体中，使反应只能在界面上进行，反应物浓度不很重 要，均相动力学不适用。
( 1) 按物质状态分
(1) 纯固相反应：反应物和生成物都是固体。 A(s)+B(s)=AB(s)
(2) 有液相参与的反应 (3) 有气相参与的反应 实际的固相反应中，通常是上面三种形式的各种组合。
固相反应的分类
(2) 按反应性质分
加成反应 置换反应 热分解反应 还原反应
*(3) 按反应机理
化学反应速率控制过程 晶体长大控制过程 扩散控制过程
不同物质泰曼温度与熔点Tm之间的关系： 金属：0.3～0.4Tm 盐类：0.57Tm 硅酸盐：0. 8～0.9Tm
（3）当反应物之一存在有多晶转变（相变）时， 则转变温度通常也是反应开始明显进行的温度。
－－－海德华定律 Hedvall’s Law
金斯特林格指出：气相或液相也可能对固相反应 过程起主要作用。
固相反应的分类
细化的分类：
<1>单种固态物质的反应，包括固体物质的热分解、 聚合，固体种中的相变与缺陷平衡。 <2>固态和气态物质参加的反应 <3>固态和液态物质参加的反应 <4>两种以上固态物质之间的反应 <5>固态物质表面上的反应，如固相催化反应和电极 反应
第三章固相反应
第三章固相反应固相反应是高温条件下固体材料制备过程中的一个普遍的物理化学现象。
它是一系列材料（包括各种传统的、新型的金属材料和无机非金属材料）制备所涉及的基本过程之一。
狭义地说，固相反应是固相和固相之间发生化学反应，生成新的固相产物的过程。
广义地说，凡是有固相物质参与的化学反应都可称为固相反应。
本章的固相反应采用后一种定义，指固相物质为主要物相参与的化学反应过程。
因此，固相反应的研究范围，包括了固相与固相、固相与液相、固相与气相之间三大类的反应现象和反应过程。
相应地，除了传统的固相-固相之间的反应类型外，固相反应还应包括固相-液相之间，以及固相-气相之间进行化学反应的类型。
从反应过程分析，固相反应的最大特征是先在两相界面上（固-固界面、固-液界面、固-气界面等）进行化学反应，形成一定厚度的反应产物层；然后经扩散等物质迁移机制，反应物通过产物层进行传质，使得反应继续进行。
同时，在上述化学反应过程中还常常伴随一些物理变化过程，有些固相反应的速度也不完全由反应物本身在界面上的化学反应速度所控制，而是由其中的某一物理过程所决定。
下面就对固相反应的相关问题进行较为详细的论述。
第一节固相反应概述一、固相反应定义及其研究对象广义的、较为普遍接受的固相反应定义是：固相物质作为反应物直接参与化学反应的动力学过程，同时在此过程中，在固相内部或外部存在使反应得以持续进行的传质过程。
从反应的控制过程及影响因素来分析，控制固相反应速度的不仅有界面上的化学反应，而且还包括反应物和产物的扩散迁移等过程。
固相反应的研究对象则包括了所涉及的化学反应热力学、过程动力学、传质机理与途径、反应进行条件与影响控制因素等等。
二、固相反应特点较早时期，对固相反应的研究侧重于单纯的固相体系。
研究发现，固相质点在较低温度下也会进行扩散，但因扩散速度很小，所以其反应过程也无法观测；随着反应温度的升高，扩散速度以指数规律增大，并在某些特定条件下，出现了明显的化学反应现象。
固相反应实验报告
固相反应实验报告固相反应实验报告引言：固相反应是一种在固体物质中进行的化学反应，它与液相反应和气相反应有着不同的特点和应用。
本实验旨在通过固相反应的实验操作，研究反应过程中的物质转化和能量变化。
实验目的：1. 了解固相反应的基本原理和特点；2. 掌握固相反应实验的操作方法；3. 观察和记录固相反应中物质的转化过程；4. 分析固相反应中的能量变化。
实验材料和仪器：1. 实验物质：A、B两种固体；2. 实验仪器：量筒、烧杯、显微镜、温度计、称量器等。
实验步骤：1. 准备工作：清洗实验仪器，确保实验环境的洁净；2. 称量：分别称取一定质量的A、B两种固体；3. 反应装置搭建：将A、B两种固体放入烧杯中，并用量筒加入适量的溶剂；4. 反应观察：观察反应过程中固体的溶解、气体的产生等现象；5. 温度测量：使用温度计测量反应体系的温度变化；6. 结果记录：记录实验数据和观察到的现象。
实验结果：在实验过程中，观察到A、B两种固体在溶剂中发生反应，产生气体，并伴随着温度的变化。
通过显微镜观察，还发现了固体颗粒的大小和形状的变化。
实验讨论：1. 反应速率：固相反应的反应速率相对较慢，因为反应物需要在固体颗粒之间扩散才能进行反应。
这与液相反应和气相反应的分子间碰撞有所不同。
2. 热效应：实验中观察到了温度的变化，这说明固相反应伴随着能量的转化。
通过测量反应体系的温度变化，可以进一步研究反应的热效应和能量变化规律。
3. 反应速率与温度关系：固相反应的反应速率与温度有关。
一般来说，反应速率随着温度的升高而增加，因为温度的升高能够提供更多的能量，促进反应物分子的碰撞和反应。
结论：通过本实验，我们了解了固相反应的基本原理和特点，掌握了固相反应实验的操作方法，并观察和记录了固相反应中的物质转化和能量变化过程。
固相反应在化学领域中有着广泛的应用，对于研究物质的合成、分解和转化过程具有重要意义。
在今后的学习和研究中，我们将进一步探索固相反应的机理和应用，为推动化学科学的发展做出贡献。
固相实验_实验报告
一、实验目的1. 理解固相反应的基本原理和特点。
2. 掌握固相反应动力学实验方法。
3. 通过实验验证固相反应的动力学规律。
二、实验原理固相反应是指固体反应物在高温下发生化学反应的过程。
在固相反应中，反应物分子需要先吸附在固体表面，然后才能发生反应。
固相反应速率常数与反应物浓度、温度等因素密切相关。
本实验采用TG法（热重分析法）研究固相反应动力学。
三、实验器材1. 热重分析仪（TG-DTA）2. 玻璃坩埚3. 研钵4. 研杵5. 烘箱6. 电子天平7. 纳氏滴定管8. 酒精灯9. 火柴10. 铁架台11. 铁圈12. 铁夹13. 实验记录本四、实验步骤1. 样品制备：将反应物CaCO3和SiO2按照1:1摩尔比称取，分别置于研钵中研磨，过250目筛，混合均匀。
将混合物放入烘箱中烘干，取出放入干燥器内备用。
2. 实验装置搭建：将热重分析仪预热至100℃，待仪器稳定后，将样品放入玻璃坩埚中，将坩埚放入热重分析仪的样品室。
3. 实验操作：a. 打开热重分析仪电源，设置实验参数：升温速率、温度范围、记录时间等。
b. 开启热重分析仪的加热系统，开始实验。
c. 实验过程中，观察样品质量变化，记录实验数据。
4. 数据处理：将实验数据输入计算机，利用热重分析仪软件进行分析，绘制TG曲线。
五、实验结果与分析1. TG曲线分析：根据TG曲线，可以看出样品在升温过程中质量的变化规律。
通过TG曲线，可以计算出反应速率常数和反应的表观活化能。
2. 反应速率常数计算：根据实验数据，采用阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation）计算反应速率常数：k = A exp(-Ea/RT)其中，k为反应速率常数，A为指前因子，Ea为反应的表观活化能，R为气体常数，T为温度。
3. 反应的表观活化能计算：根据实验数据，绘制lnk-1/T曲线，通过线性拟合，可以得到反应的表观活化能。
六、实验结论1. 本实验通过TG法研究了固相反应动力学，验证了固相反应的动力学规律。
固相反应
种类： 种类 1、一种固态物质的反应； 2、气－固相反应； 3、液－固相反应； 4、固－固相反应； 5、固态物质表： 扩散传质：通道+化学位梯度 相界面反应：旧化学键的断裂和新化学 键的形成 晶核形成及长大：高温利于晶体生长， 低温利于形核
常用方法：高温固相法、中低热固相法和微波固相 常用方法 法。 固相反应的优点：产量高，操作简便，不产生废水， 固相反应的优点 选择性高，生产成本低，适合工业化大批量生产 。 缺点： 缺点：固相反应速率较慢。原因由于晶体质点间作 用力大，拆散晶格需要较大能量，则界面化学反应 进行较慢； 固体质点由于迁移困难，扩散系数小， 则扩散进行较慢。
1－对色剂的吸附特性； 2－在250℃时，对 2CO+O2→2CO2反应的催化特 性； 3－物系的吸湿性； 4－在510℃时对2N2O2N2＋ O2反应的催化活性； 5－染色； 6－密度； 7－磁化率； 8－ZnFe2O4的X射线衍射谱 线； 9－荧光性
曲线1：对色剂的吸收性能，取决于表面积大小 （主要因素）与表面结构的紧密程度，故曲线1一 般下降； 曲线2：在250℃时，对2CO+O2→2CO2反应的催化特 性。由于反应前后均是气相，这时的催化作用称为 气相催化。固体催化剂对于气相的催化作用一般经 历了吸附、表面反应、脱附等步骤。催化作用取决 于固体的表面活性。表面活性大，催化作用强。固 体混合物的催化特性的变化，反映了固体混合物的 表面活性的变化； 曲线8：ZnFe2O4的X射线衍射谱线强度。每一种晶 体都有其特征的X射线衍射谱线，其谱线强度反映 了该晶体的含量。所以ZnFe2O4的X射线谱线强度的 出现及增大，反映了混合物中尖晶石的产生及量的 增加。
液相法的优缺点： 液相法的优缺点： 检测的分辨率和灵敏度高，分析速度 快，重复性好，定量精度高，应用范围广。 适用于分析高沸点、大分子、强极性、热 稳定性差的化合物。 但是，价格昂贵，要用各种填料柱， 容量小，分析生物大分子和无机离子困难， 流动相消耗大且有毒性的居多。
固相反应实验报告
固相反应实验报告实验名称：固相反应实验报告一、实验目的1.了解固相反应的基本概念和特点。
2.熟悉固相反应实验的内容及实验步骤。
3.通过实验观察，掌握常见固相反应的性质和变化过程。
二、实验原理固相反应是指在某一固相中发生的化学反应。
常见的固相反应有氧化、还原等。
在实验中，我们将固体和液体混合后通过加热或冷却等方式进行反应。
实验过程中观察到的结晶形态和颜色变化等可以给出反应过程的判断。
三、实验步骤1.准备实验所需材料，包括固体和液体试剂，实验仪器等。
2.按照实验需要量取不同量的试剂，注意称量精确。
3.将试剂混合后，放入反应装置中，并进行恰当的加热或冷却等操作。
反应装置需要具有密封性。
4.观察反应过程中的结晶形态和颜色变化等，记录反应得率和反应速率等实验数据。
5.实验完成后，清洗实验器材。
四、实验结果与分析在实验过程中，我们观察到了一系列反应的变化过程，并记录下了反应速率和反应得率等数据。
通过分析这些数据，我们可以得出固相反应的基本特点和机理。
具体结果如下：（此处应添加实验结果与分析，表格和图片等）五、实验结论通过本实验，我们了解了固相反应的基本概念和特点，并通过实验掌握了常见固相反应的性质和变化过程。
实验结果表明，固相反应是一种比较常见的化学反应方式，有着广泛的应用前景，可以在多个领域中发挥作用。
六、实验体会通过本次固相反应实验，我对化学实验的操作和实验步骤有了更加深刻的理解。
实验中我充分发挥了自己的想象力和创造力，并学会了如何观察和分析实验结果。
在未来的学习和工作中，我一定会更加热爱化学并勇于面对实验的挑战。
七、参考文献（此处应列出实验所参考的文献、教材或其他相关资料）。
固相反应法制备铁氧体
固相反应法制备铁氧体一、背景介绍铁氧体是一种重要的功能材料，具有多种应用领域，例如电子器件、磁记录介质和医学成像。
固相反应法是一种常用于制备铁氧体的方法，具有简单、成本低廉和易于控制反应条件等优点。
二、固相反应法的原理固相反应法通过将适量的金属离子和氧化剂在高温环境下反应生成铁氧体。
在反应过程中，金属离子首先被氧化剂氧化生成金属氧化物，然后发生晶格重排以形成铁氧体结构。
三、实验步骤3.1 材料准备为了制备铁氧体，我们需要准备以下材料： - 高纯度的金属离子溶液（如FeCl3）- 氧化剂（如NaNO2） - 还原剂（如NH4OH）3.2 溶液制备首先，将适量的金属离子溶液和氧化剂分别溶解在不同的溶剂中，然后将两个溶液混合均匀。
3.3 反应条件控制将混合溶液转移到高温环境中，控制反应温度和时间，使反应充分进行。
3.4 晶体生长和结构调控通过调节反应条件，可以控制晶体的形貌和尺寸，从而调控铁氧体的性能。
四、固相反应法制备铁氧体的优势•简单易行，无需复杂的仪器设备和高超的技术要求。
•反应条件易于控制，可以实现对产物结构和性能的调控。
•成本低廉，适合大规模生产。
五、实验注意事项•操作时注意安全，避免接触有毒物质和高温。
•溶液的配制和转移应当严格遵守实验室安全规范。
•反应容器和仪器设备要干净无杂质，避免对实验结果的影响。
六、实验结果与讨论通过固相反应法制备的铁氧体样品进行了结构和性能表征，结果表明样品具有优异的磁性和电性能。
进一步研究发现，通过调控反应条件，可以实现对铁氧体晶体结构和性能的调控，有望在磁记录介质和医学成像等领域有潜在的应用。
七、结论固相反应法是一种可行的制备铁氧体的方法，具有简单、成本低廉和易于控制反应条件等优点。
通过调控反应条件和晶体生长过程，可以实现对铁氧体结构和性能的调控。
进一步的研究和优化有望推动铁氧体在功能材料领域的应用。
第四章-固相反应与烧结PPT课件
1
dG K dt K
(1G)3
1
1(1G)3
－－－－金斯特林格微分方程
讨论：
(1) 适用更大的反应程度； 由金斯特林格方程拟合实验结果，G=0.246－0.616时, FK(G)～t，有很好的线性关系，KK=1.83; 由杨德尔方程知FJ(G)～t线性关系很差，KJ由1.81增加到2.25
(2) 从方程本身看：
反应物间的机械接触，即在界面进行反应， 与接触面F有关。
转化率(G)：
参与反应的反应物，在反应过程中被反应了的体积分数。
(1) 设反应物颗粒呈球状，半径R0， 则时间t 后，颗粒外层有x厚
度已被反应，此时
x
G ＝ R 03 － R (03 R 0 － x3 ) R 0xR 0(1 － G )1 3
则固相反应动力学一般方程为
.
2
不同物质泰曼温度与其熔点的关系：
泰曼温度
金属 0.3～0.4Tm 盐类 0.57Tm 硅酸盐类 0.8～0.9Tm
▪ 当反应物之一有晶型转变时，则转变温度通常是反
应开始明显的温度 －－海德华定律 Hedvall’s Law
控制反应速度的因素：
化学反应本身
反应新相晶格缺陷调整速率
晶粒生长速率
反应体系中物质. 和能量的输送速率
讨论：
1
F J(G )[1(1G )3]2K Jt
(1) FJ(G)～t 呈直线关系，通过斜率可求KJ， 又由 KJ＝Cex pR G(R T -) 可求反应活化能。
(2) KJ与D、R02有关
KJ
2DC0 R02
(3) 杨德尔方程的局限性
假定的扩散截面不变 x/R0 很小，因而仅适用于反 应初期，如果继续反应会出现大偏差。G < 0.3
无机精细化工-第10章-固相法
以金属氧化反应为例：
反应方程式：
M (S )
1 O2( g ) MO ( S ) 2
28
①、反应经t时间后，金属M 表面已形成厚度为的产物层MO；
②、氧气O2通过产物层MO扩
散到M-MO界面； ③、金属进一步被氧化。
扩散
金属氧化
29
根据化学反应动力学一般原理，单 位面积界面上金属氧化速度VR：
用的温度，这个温度称为泰曼温度或烧结温度。
9
不同物质的烧结温度(Ts)与其熔点(Tm)间存 在以下的关系： 金属: Ts = (0.3~0.4)Tm 盐类: Ts = 0.57 Tm
硅酸盐: Ts = (0.8~0.9)Tm
10
(3) 当反应物之一存在有多晶转变时，则此
转变温度也往往是反应开始变得显著的温度，
32
V VR VD
dC KC D dx D
x
K：化学反应速率常数
C：界面处氧气浓度 D：氧气在产物层中的扩散系数
C0 C
1 1 1 V KC 0 DC0
K C C 0 /(1 ) D
V VR KC
结论： 由扩散和化学反应构成的固相反应历程，其总反应速度 的倒数为化学反应最大速率倒数与扩散最大速率倒数之和。
2 3
1] K1t
(10-2a)
44
(2) 反应截面F在反应过程中不变时，
考虑一级反应：
dG K 1 (1 G ) dt
积分，考虑初始条件：t=0、G=0：
F1 (G ) ln(1 G ) K 1 t
(10-2b)
45
例
碳酸钠Na2CO3和二氧化硅SiO2在740C下进行 固相反应：
固相反应
且 （7-12）
积分上式并考虑边界条件t=0；x=0得：
（7-13）
式（7-13）说明，反应物以平行板模式接触时，反应产物层厚度与时间的平方根成正比。由于式（7-13）存在二次方关系，故常称之为抛物线速度方程式。
考虑实际情况中，固相反应通常以粉状物料为原料，为此杨德尔假设：（1）反应物是半径为R0的等径球粒；（2）反应物A是扩散相，即A成分总是包围着B的颗粒，而且A、B与产物是完全接触，反应自球面向中心进行如图7-3(B)所示。于是由（7-7）式得：
将上式代入（7-13）式得杨德尔方程积分式：
（7-14a）
或 (7-14b)
对上式微分得杨德尔方程微分式：
(7-15)
杨德尔方程较长时间以来一直作为一个较经典的固相反应动力学方程而被广泛地接受。但仔细分析杨德尔方程推导过程，容易发现：将圆球模型的转化率公式（7-7）代入平板模型的抛物线速度方程的积分式（7-13）中就限制了杨德尔方程只能用于反应初期，反应转化率较小（或 比值很小）的情况，因为此时反应截面F可近似地看成不变。
7.1.2化学反应动力学范围
化学反应是固相反应过程的基本环节。由物理化学知识，对于均相二元反应系统，若化学反应依反应式 进行，则化学反应速率的一般表达式为：
（7-6）
式中CA、CB、CC分别代表反应物A、B和C的浓度；K为反应速率常数。它与温度间存在阿累尼乌斯关系：
此处K0为常数， 为反应活化能。
然而，对于非均相的固相反应，式（7-6）不能直接用于描述化学反应动力学关系。首先对于大多数固相反应，浓度的概念对反应整体已失去了意义。其次多数固相反应以固相反应物间的机械接触为基本条件。因此取代式（7-6）中的浓度，在固相反应中将引入转化率G的概念，同时考虑反应过程中反应物间接触面积。
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数据及处理
Na2CO3~SiO2系统固相反应实验数据记录
反应时间： 累计失重量W 反应时间：t(min)；坩埚与样品重量 1(g)；CO2累计失重量 2(g)； ；坩埚与样品重量W ； ； Na2CO3转化率 ：[1-(2G/3)-(1-G)2/3]=Kk 转化率G：
思考题
1.要使一个多步分解反应过程在热重曲线上明晰可辨，应 要使一个多步分解反应过程在热重曲线上明晰可辨， 要使一个多步分解反应过程在热重曲线上明晰可辨 选择什么样的实验条件？ 选择什么样的实验条件？ 2.温度对固相反应速率有何影响？其它影响因素有哪些？ 温度对固相反应速率有何影响？其它影响因素有哪些？ 温度对固相反应速率有何影响 3.本实验中失重规律怎样？请给予解释。 本实验中失重规律怎样？请给予解释。 本实验中失重规律怎样 4.影响本实验准确性的因素有哪些？ 影响本实验准确性的因素有哪些？ 影响本实验准确性的因素有哪些
测量仪表 补偿导线
热电偶
常见热电偶种类
热电偶类别 铂铑30－铂铑 铂铑 －铂铑6 铂铑10－ 铂铑 －铂 代号 WRR WRP WRN WRE WRB 分度号 B S K E R 测温范围 0－1800℃ － ℃ 0－1600℃ － ℃ 0－1300℃ － ℃ 0－800℃ － ℃ 0-1600℃ ℃ 允许偏差限 ±0.25%t ±0.25%t ±0.75%t ±0.75%t ±0.25%t
实验步骤
1.样品制备 样品制备 分别在玛瑙研钵中研细， 将Na2CO3(A·R)和SiO2(99.9%)分别在玛瑙研钵中研细，过250 和 分别在玛瑙研钵中研细 目筛。 的筛下料在空气中加热至800℃ ， 保温 ， Na2CO3 目筛 。 SiO2 的筛下料在空气中加热至 ℃ 保温5h， 筛 下 料 在 200℃ 烘 箱 中 保 温 4h 。 把 上 述 处 理 好 的 原 料 按 ℃ Na2CO3:SiO2=1:1摩尔比配料，混合均匀，烘干，放入干燥器内 摩尔比配料， 摩尔比配料 混合均匀，烘干， 备用。 备用。 2.测试步骤 测试步骤: 测试步骤 1) 检查周围环境及仪器状态：要求室内环境温度为 ±5℃。 检查周围环境及仪器状态：要求室内环境温度为23± ℃ 和控制器之间进行所有必要的电缆连接， 在SDT和控制器之间进行所有必要的电缆连接，连接所有气体线 和控制器之间进行所有必要的电缆连接 检查并接通各个装置的电源，将控制器连接到仪器， 路，检查并接通各个装置的电源，将控制器连接到仪器，熟悉控 制器的操作，如果有必要，请校准SDT。 制器的操作，如果有必要，请校准 。
镍铬－镍硅 镍铬－
镍铬－ 镍铬－康铜 铂铑13-铂 铂 铂铑
Q600 技术性能指标
温度范围宽：室温－ 温度范围宽：室温－1500℃ ℃ 升温速率： 升温速率：0.1-100℃/min. 到1000℃，0.1-25℃/min. 1000 ℃到1500℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 炉子类型： 炉子类型：水平式 DTA的灵敏度：0.001℃ 的灵敏度： 的灵敏度 ℃ 样品量(最大 最大)： 样品量 最大 ：200mg 天平灵敏度： 天平灵敏度：0.1mg 热电偶： 铂铑 铂铑(R型 热电偶：铂/铂铑 型) 真空度： 真空度：至7 Pa(0.05Torr) 量热准确度： ％（基于标准金属 量热准确度：±2％（基于标准金属） ％（基于标准金属） 量热精度： ％（基于标准金属 量热精度：±2％（基于标准金属） ％（基于标准金属） 温度校准： － 点金属校准 温度校准：1－5点金属校准 强制空气冷却， 强制空气冷却，30 mins从1500℃降至 ℃ 从 ℃降至50℃ 易于操作使用:自动温度校准 自动温度校准,自动重量校准 易于操作使用 自动温度校准 自动重量校准
Q600 同步热分析仪外观
水平双杆式双天平设计构作图
实验原理
本实验是测定Na 系统的固相反应速度， 本实验是测定 2CO3-SiO2系统的固相反应速度，采用的方法 是重量法，该反应式可以表示为： 是重量法，该反应式可以表示为： Na2CO3 + SiO2 = Na2O·SiO2+CO2↑ 恒温下通过测量不同时间t时失去的 的重量， 恒温下通过测量不同时间 时失去的CO2 的重量 ， 可计算出 时失去的 Na2CO3的反应量，进而计算出其对应的转化率 来验证金斯特 的反应量，进而计算出其对应的转化率G,来验证金斯特 林格方程： 的正确性。 林格方程：[1-(2G/3)-(1-G)2/3]=Kkt的正确性。 的正确性 式中， 为金斯特林格方程的速度常数， 为反 式中 ， Kk=Aexp(-Q/RT)为金斯特林格方程的速度常数 ， Q为反 为金斯特林格方程的速度常数 应的表观活化能。改变反应温度， 应的表观活化能。改变反应温度，则可通过金斯特林格方程计算 出不同温度下的K 出不同温度下的 k和Q。 。
实验步骤
2) 设置净化气体：主净化气体应该限制为常用的、最好是 、 设置净化气体：主净化气体应该限制为常用的、最好是N2、 Ar等惰性气体。推荐的流量设置为 等惰性气体。 等惰性气体 推荐的流量设置为100ml/min。辅助净化气体主 。 要为引入更具反应性的气体，其流速通常低于主净化气体，推荐 要为引入更具反应性的气体，其流速通常低于主净化气体， 的流量设置为20ml/min。 的流量设置为 。 3) 设定所需的 设定所需的SDT模式及要保存的信号 热流、重量或 模式及要保存的信号(热流 重量或Delta/T) 模式及要保存的信号 热流、 等。 4) 选择并准备样品 。包括准备一个适当大小的样品并将其放 选择并准备样品。 到测杯中。 到测杯中。
实验三
一.实验目的与内容 实验目的与内容
固相反应
1. 探讨 2CO3-SiO2系统的固相反应动力学； 探讨Na 系统的固相反应动力学； 2. 熟悉运用失重法进行固相反应的研究。 熟悉运用失重法进行固相反应的研究。
二.实验基本原理 实验基本原理
测定固相反应速度的问题，实际上就是测定反应过程中各反应 测定固相反应速度的问题， 阶段的反应量的问题，因此有许多方法， 阶段的反应量的问题，因此有许多方法，对于反应中有气体产生 的反应可以用重量法或量体积法即测量反应过程中生成的气体的 进而计算出物质的反应量。 量，进而计算出物质的反应量。
三.主要仪器设备及耗材 主要仪器设备及耗材
主要设备： 差热/热重同步热分析仪 主要设备：SDT Q600 差热 热重同步热分析仪 均为A·R级) 耗 材：Na2CO3，SiO2(均为 均为 级
热重分析实验原理
1/万电子天平 万电子天平
温度控制器 管式电阻炉
温控热电偶
热重曲线热ຫໍສະໝຸດ 偶工作原理热电偶由两种不同材料的导体A 焊接而成， 热电偶由两种不同材料的导体 A 和 B 焊接而成 ， 焊接的一端插 入被测介质中，感受被测温度，称为工作端，另一端与导线相连， 入被测介质中，感受被测温度，称为工作端，另一端与导线相连， 称为冷端或参比端。工作时，当测量端与参比端存在温差时， 称为冷端或参比端。工作时，当测量端与参比端存在温差时，热 电偶形成的回路产生热电流并在仪表上显示， 电偶形成的回路产生热电流并在仪表上显示，根据温度与热电流 之间的比例关系，可以知道测量的温度值。热电偶的热电动势只 之间的比例关系，可以知道测量的温度值。 与材料、温度差有关，与热电偶的长度、直径无关。 与材料、温度差有关，与热电偶的长度、直径无关。