实验十七 固相反应
固-固反应
补充：科肯道尔效应与达肯公式
x A x A (D ) 比较，得： 将上式与Fick第二定律 x x t
达肯公式推导过程：
D x B D A x AD B
补充：科肯道尔效应与达肯公式
互扩散系数： 互扩散系数是由互扩散流决定的，而互 扩散流包括着由于化学位梯度而产生的分子扩散及由于 DA≠DB所引起的晶格点阵体运动的物质流。因此，互扩 散流是两组元本征扩散系数的综合结果。
NiO和Al2O3生成Ni Al2O4的机理
为保持电中性：
每向右边扩散三个Ni2+离子，生成3个NiAl2O4 在相反方向上要扩散两个Al3+，生成1个NiAl2O4
抛物线规律
生成尖晶石的过程中，随着产物层的增厚，扩散的 阻力逐渐增加。
扩散控速的条件下，外界气相中氧分压确定时，在 相界面上发生局部平衡，则所有热力学参数保持不 变。
这样，在反应层中建立起一个缺陷的浓度梯度 产物层厚度与反应时间符合抛物线规律
抛物线速率方程：
dx kj dt
c1 c2 dc jD D dx x
dx c kD dt x
t x k rea
2
置换反应的机理(1)
对于置换反应AX＋BY＝BX＋AY，由于离子的 淌度和离子之间的互溶性质差别很大，这类反 应的机理和特点差异很大
反应过程中，接触面积也在发生变化 虽然机理相同，根据反应物或产物的几何形状 不同，对应不同的动力学模型
3.1 界面化学反应控制
若取1mol反应物的接触面积为参数As，非均 相反应的速率方程为：
dn m n As cA k rea cB dt
固相反应实验实验报告
一、实验目的1. 理解固相反应的基本原理和动力学规律。
2. 通过实验验证固相反应的动力学方程，如金斯特林格方程。
3. 学习和掌握热重分析法（TG法）在固相反应动力学研究中的应用。
4. 通过实验数据计算反应速度常数和表观活化能。
二、实验原理固相反应是指固体反应物在高温下直接反应生成新固体的过程。
这类反应通常不涉及液相或气相，但实际过程中可能会有液相或气相的参与。
固相反应动力学研究通常涉及反应速率、反应机理和活化能等参数。
本实验采用TG法，即热重分析法，通过测量反应过程中样品质量的变化来研究固相反应的动力学。
TG法的基本原理是，当样品在加热过程中发生反应时，其质量会发生变化。
通过测量不同温度下样品的质量，可以得到TG曲线，从而分析反应速率和动力学参数。
三、实验材料与仪器实验材料：- 碳酸钠（Na2CO3）- 二氧化硅（SiO2）- 玛瑙研钵- 筛子- 干燥器- 铂金坩埚- 不锈钢镊子- 烘箱- 热重分析仪实验步骤：1. 样品制备：将Na2CO3和SiO2分别在玛瑙研钵中研细，过250目筛。
将SiO2的筛下料在空气中加热至800℃，保温5小时，Na2CO3筛下料在200℃烘箱中保温4小时。
将处理好的原料按Na2CO3：SiO2 1:1摩尔比配料，混合均匀，烘干，放入干燥器内备用。
2. 样品称重：准确称取一定量的样品放入铂金坩埚中。
3. 测试：将样品放入热重分析仪中，设置合适的测试程序，如升温速率、温度范围等。
4. 数据处理：记录实验数据，绘制TG曲线，分析反应速率和动力学参数。
四、实验结果与分析1. TG曲线分析：通过分析TG曲线，可以得到反应速率、反应机理和活化能等参数。
2. 反应速率：根据TG曲线，可以得到反应速率方程，如金斯特林格方程。
通过作图计算反应速度常数和反应的表观活化能。
3. 反应机理：通过分析反应过程中质量的变化，可以推断反应机理。
例如，本实验中Na2CO3和SiO2反应生成Na2SiO3和CO2，反应机理可能为固相扩散控制。
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，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：石炭酸盐、硝酸盐分解，矿物脱水，泰曼对金 属所化物的研究： 生成化合物——其厚度X同反应时间T的关系
T时间后
T时间产物体积
验证： ④金斯特林格方程 杨德系方程———经典动力系方程，但有局限性，金斯特林格 应用球形三维扩散方程，对球形颗粒扩散动力系进行分析 推导得：
实践中金斯特林格较为准确。
（四）影响团相反应的因素 一、反应物化学组成与结构的影响
反应物结构状态质点间的化学键性质、各种缺陷的 多少都会影响反应速率。 实际：利用多晶转变、热分解、脱水反应等过程引 起晶格效应来提高生产效率。 如：Al2O3+CoOCoAl2O4 常用轻烧Al2O3而不用较高温度死烧Al2O3作原料， 原因为轻烧Al2O3中有－Al2O3 － Al2O3转变，提 高了Al2O3的反应活性。
胶水反应=碳酸盐的分解机理 粘土分解，化学反应在整个体积内部同时进速度很快。 H2O扩散过程速度较慢，则控制——整个分解过程 高参石——主要粘土分解 2、无机化合物的加成反应
单质或化合物
氧化物之间的加成反应为最基本的 如： 镁铝类晶石 以上总反应式其中有晶分成几个阶段连续进行或有几个中间台 物生成。
A在a、b两点浓度为100%、0%，D为扩散少数。 令K=2KD则X=KT
(4)式为抛物线，动力系方程，即力度X与时间的成正比。 （2）杨德系方程。 球体模型——导出扩散控制的动力系方程——杨德系方程。 杨德系假设： ①反应物为半径R0的球颗粒。 ②反应物B是扩散相，即B总是向A扩散， ③B在产物层中的浓度梯度是线位的故反应开始
固相反应
GR K K 0 exp( ) RT
2. 非均相的固相反应
接触面积 F
转化率 G
已经反应的反应物量 转化率＝ 反应物原始量
转化率定义：参与反应的一种反应物，在反 应过程中被反应了的体积分数。
R0 ( R0 x） x G 1 1 3 R R0 0
2、反应物的活性
反应物的活性对反应速率影响很大，同组成
的反应物，其反应活性因热历史不同而有很大
差别。 例如：氧化铝与氧化钴生成钴铝尖晶石
CoO Al2O3 CoAl2O4
1）反应物B是半径为R0的等径球粒； 2）反应物A 是扩散相，A 成分总是包围着B的颗粒， 且A、B与产物C是完全接触的，反应自球表面向 中心进行； 3）A在AB中的浓度分布是线性的，扩散截面不变。
杨德尔方程积分式为：
x R0 1 1 G
2 2
13 2
Kt
或 FJ G 1 1 G
（二 ）相界面上反应和离子扩散的关系
▲▲ 例： 尖晶石类三元化合物的生成反应
Mg+Al2O3MgAl2O4
S1 MgO Mg →
2+
S2 MgAl2O4 ←Al Al2O3
3+
Al3+、 Mg2+逆向经过两种氧化物界面层扩散， O2－不参与扩散迁移 S1界面上：2Al3++4MgO=MgAl2O4+3 Mg2+ S2界面上：3 Mg2+ +4Al2O3=3MgAl2O4+ 2Al3+
C0 dm dC D D dt x dx
设反应产物AB密度为ρ，相对分子量为M，则：
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
固相反应
•
dx
• 当过程达到平衡时，
c0 c • V= VR= VD或 Kc= D
• •
1 c = c0 K 1 D
V = Kc =
1 Kc0 Dc0
1
• 则：
1 1 1 V Kc0 Dc0 /
• 可见：由扩散和化学反应构成的固相反应过 程总速率的倒数为扩散最大速率和化学反应 最大速率的倒数和
dm dc D( ) x dt dx
• 设：反应产物AB密度为ρ，迁移量dm 与dx成正比，dm＝ ρdx • 当扩散达稳定：
c0 dc ( ) x dx x
dm dc D( ) x dt dx
dm dx
2013-8-14
dx Dc0 dt x
杨为中 固相反应 23
• 1）反应物通过固相产物层扩散到相界面，然 后在相界面进行化学反应；（加成、置换、 金属氧化） • 2）通过流体相传输的反应；（气相沉积、耐 火材料腐蚀及汽化） • 3）反应基本在一个固相内进行；（热分解、 晶体中的沉淀）
第三节
信息
固相反应动力学
• 提供反应体系、反应随时间变化的规律性
• 固相反应通常可由几个简单的物理化学过 程构成：如化学反应、扩散、熔融、升华
• 2.2 金斯特林格方程——三维球体模型
• 考虑到实际反应，反应截面随反应进程 变化的事实 • 金斯特林格仍采用了杨德的球状模形， 但放弃了扩散截面不变的假设从而导出 了更有普遍性的新动力学关系
• 金斯特林格认为：实际反应开始 厚生成的产物层是一个厚度逐渐 增大的球壳，而非平面 • 金斯特林格扩散模型： • 反应物A、B混合均匀后，A熔点低 于B，故A可以通过表面扩散或气相 扩散布满整个B表面
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。
固相反应PPT课件
2. 造膜反应
这类反应实际上也属于加成反应，但A、B常是单质元素。 若生成物C不溶于A、B中任一相，或能以任意比例固溶，则 产物中排列方式分别为:
A│C│B，A（B）│B及A│B（A）。 例如: Zn+O2→ZnO 伴随上述反应进行，系统自由焓减少，即气相中O2的化学位 μa与Zn-ZnO界面上平衡氧的化学位μi的差值是此反应的推动 力。当氧化膜增厚速度由扩散控制时，上述氧的化学位降低 将在氧化膜中完成，相关离子的浓度分布如图4所示。
产物层排列主要取决于反应物的扩散组元、产 物与反应物的固溶性等。对于三组分以上的多元系 统，则产物层的排列就更复杂。
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4. 转变反应
特点: （1）反应仅在一个固相内进行，反应物或生成物 不必参与迁移； （2）反应通常是吸热的，在转变点附近会出现比 热值异常增大。对于一级相变，熵变是不连续的； 对于二级相变则是连续的。 由此可见，传热对转变反应速度有着决定性影响。 石英的多晶转变反应是硅酸盐工业种最常见的实 例。
— d(cdtX)Kn(cX)n
积分并考虑到初始条件：t=0，x=0 得：
x dX
0 (cX)n
t
0 Knd
t
cn1(cX)n1 (n1)c(X)n1cn1 Knt
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或 n1 1 (c1 X)n 1c1 n 1 K nt 这里，n是反应级数。故给出除一级以外的任意级 数的这类反应的动力学积分式。
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讨论：
零级反应：n=0， X = K0t
二
级反
应
：n=
2
，1
cX
1 c
第 固相反应
——抛物线速度方程 局限性：仅适用于平板模型
杨德尔假设： 杨德尔方程 ——圆球模型 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总 是包围着B颗粒，且A、B与 产物是完全接触，反应自球 面向中心进行。
由G x R0 [1 (1 G ) ] 3 R0 2 由抛物线动力学方程： x Kt R0 ( R0 x) 3
3
3
3
x 3 1 (1 ) R0
⑵
据⑴式含义，固相化学反应动力学一般方程式为：
dG n ＝KF(1 G ) dt
n—反应级数
K—反应速率常数 F—反应物接触面积
2 ⑶ 3
F 4R0 (1 G )
2
讨论：若考虑一级反应
dG n 1 KF (1 G ) dt
当反应物颗粒为球形：
化学反应速率：
dC C n VR＝ ＝KCm C A B dt GR K K 0 exp( ) RT
⑴
反应速度常数：
转化率：参加反应的一种反应物在反应过程 中被反应了的体积分数G。 设反应物颗粒成球形，半径为R0，经时间t后 ，反应物颗粒外层x厚度已被反应，则转化率G ：
G
R0 ( R0 x) R0
dx DC 0 R dx R dt x( R x) K0 dt x( R x) DC 0 令K 0 2 x 2 x (1 ) 2 K 0t 3 R 1 3 x R[1 (1 G ) ]
VR KC
氧气的扩散速度: VD D dc | x dx
K—化学反应速度常数
C—界面处氧气浓度
D—O2在产物层中的扩散系数 当整个反应过程达稳定时，整体反应
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
的各阶段以及温度范围，而各种性质变化是对照0-0线的纵
坐标标出的。其中最主要的是曲线1、曲线2以及曲线8。
ZnO＋Fe2O3混合物在加热过程中的性质变化 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（Ostwald色标）；6－密度； 7－磁化率；8－ ZnFe2O4的X射线衍射谱线； 9－荧光性
Ⅱ
第一活 化期
300～ 400℃
曲线2上升 曲线8未出现
产生表面效应，形成产物的局部分子表 面膜，表面处于不稳定疏松状态，表现 出极大活性，质点活动力增加，催化活 性增强，但未构成产物晶核，故曲线8未 出现
产物层加强致密，形成分子表面膜，阻 碍扩散，质点活动力降低，催化活性降 低。因产物层仅限于表面膜范围，未构 成产物晶核
四、温度的影响
扩散系数与温度的关系
注 意：
对于大多数实用晶体材料，由于其或多或少地 含有一定量杂质以及具有一定热历史，因而温度对
其扩散系数的影响往往不完全1nD～1/T间均成直线
关系，而可能出现曲线或者不同温度区间出现不同
斜率的直线段，主要原因是由于活化能随温度变化
所引起的。
五、杂质的影响
10-5
小 结
扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对
零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯
度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时，由于热运动而触 发(导致)的质点定向迁移即所谓的扩散。因此，扩散是一 种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。在气体和液 体中，物质的传递方式除扩散外还可以通过对流等方式进
三 固相反应过程
固相反应
非均相反应
当温度和压力突然变化时，晶体内部的点缺陷与处于 晶体的内界面、外界面或位错面上的格点原子之间发生 反应。 例如，在一个具有肖特基缺陷的晶体里，可能发 ' X X 生下列反应： Vm VX MX (面缺陷处） M M XX 此式的意思是，晶体内部过量的肖特基缺陷和晶体面缺 陷处的格位原子作用，生成正常的格位离子。 另一种情况是当初始与晶体MX处于平衡的X2的分压突然 改变时，晶体表面上就形成新的缺陷浓度。其结果是由 表及里地在晶体内形成缺陷浓度梯度变化，最后由于扩散 作用，这种浓度梯度逐渐变得均匀。
均相反应和非均相反应
均相反应是指在单一的固相中结构组元发生局域的重排 过程。 如由于温度和压力的改变所引起的晶体内Frenkel缺陷的 产生、湮灭和缺陷平衡的移动。镍铝尖晶石NiAl2O4中的 氧离子亚晶格构成四面体和八面体两种间隙，Ni2+和Al3+ 在两种间隙中分布状态是随温度而变化的。 非均相反应则是指在单一的固相中结构组元和化学成分 发生局域流动。 如由于氧分压的改变而引起FeO中空位和电子浓度的变 化；在一些基质晶体中掺入少量同晶型的同类杂质的情 况。
二、相变反应
相变反应是指某组成的晶体产生变态时，在各种形态 之间发生的转变。 同一种固态物质中发生相变的现象是很多的， 例如在同一种元素（如铁）的固态中发生 -Fe（体心立方）-Fe(面心立方），这种相变过程 也称为多形性转变。
从热力学观点来看,相变可分为一级相变和二级相变。 一级相变时化学势相等，即 F U T S 0 。发生一级 相变时体积和潜热均发生变化，即 V 0、S 0 。 例如，晶体的熔化、升华或液体的凝固、气化，以及 固态中的大多数多形性转变、脱溶反应、共晶反应、包晶 反应，以及一部分有序无序转变等。 二级相变进行时无熵和体积的突变，例如，合金的 有序无序转变、铁磁性与顺磁性转变、超导体变为超导 态的转变。
固相反应
材料科学基础-----固相反应
3. 固-固反应
固相-固相反应只涉及两个或以上的固相物质之间的化
学反应以及物质的扩散等过程。按照反应进行的形式， 固相反应又包括相变反应、固溶反应、离溶反应、析晶 反应、化合与分解反应等。其中，相变反应是最基本的 反应类型
固体材料在一定的温度、压力范围内具有一种热力学稳
材料科学基础-----固相反应
金斯特林格等人研究发现，固相反应中，反应物
可转为气相或液相，然后通过颗粒外部扩散到另一 固相的非接触表面上进行反应，很明显，气相或液 相也可能对固相反应过程起重要作用
固相反应定义：固相反应是固体参与直接化学反
应并起化学变化，同时至少在固体内部或外部的一 个过程中起控制作用的反应 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和传热过程
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
材料科学基础-----固相反应
第二章
固相反应
材料科学基础-----固相反应
固相反应：固体与固体反应生成固体产物的过程
也指固相与气相、固相与液相之间的反应
固相反应特点：先在界面上（固-固界面、固-液界
面、固-气界面等）进行化学反应，形成反应产物层， 然后反应物再通过产物层进行扩散迁移，使反应继 续进行 在化学反应过程中还常常伴随一些物理变化，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，而是由某一物理过程所决定
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）。
实验十七 固相反应
实验十七固相反应一．目的意义固相反应是材料制备中一个重要的高温动力学过程，固体之间能否进行反应、反应完成的程度、反应过程的控制等直接影响材料的显微结构，并最终决定材料的性质，因此，研究固体之间反应的机理及动力学规律，对传统和新型无机非金属材料的生产有重要的意义。
本实验的目的：1.掌握TG法的原理，熟悉采用TG法研究固相反应的方法。
2.通过Na2CO3 －SiO2系统的反应验证固相反应的动力学规律─杨德方程。
3.通过作图计算出反应的速度常数和反应的表观活化能。
二．基本原理固体材料在高温下加热时，因其中的某些组分分解逸出或固体与周围介质中的某些物质作用使固体物系的重量发生变化，如盐类的分解、含水矿物的脱水、有机质的燃烧等会使物系重量减轻，高温氧化、反应烧结等则会使物系重量增加。
热重分析法（thermogravimetry，简称TG法）及微商热重法（derivative thermogravimetry，简称DTG法）就是在程序控制温度下测量物质的重量（质量）与温度关系的一种分析技术。
所得到的曲线称为TG曲线（即热重曲线），TG曲线以质量为纵坐标，以温度或时间为横坐标。
微商热重法所记录的是TG 曲线对温度或时间的一阶导数，所得的曲线称为DTG曲线。
现在的热重分析仪常与微分装置联用，可同时得到TG - DTG曲线。
通过测量物系质量随温度或时间的变化来揭示或间接揭示固体物系反应的机理和/或反应动力学规律。
固体物质中的质点，在高于绝对零度的温度下总是在其平衡位置附近作谐振动。
温度升高时，振幅增大。
当温度足够高时，晶格中的质点就会脱离晶格平衡位置，与周围其它质点产生换位作用，在单元系统中表现为烧结，在二元或多元系统则可能有新的化合物出现。
这种没有液相或气相参与，由固体物质之间直接作用所发生的反应称为纯固相反应。
实际生产过程中所发生的固相反应，往往有液相和/或气相参与，这就是所谓的广义固相反应，即由固体反应物出发，在高温下经过一系列物理化学变化而生成固体产物的过程。
固相反应 固相反应
2 固相反应2．1 实验目的意义固相反应是材料制备中一个重要的高温动力学过程，固体之间能否进行反应、反应完成的程度、反应过程的控制等直接影响材料的显微结构，并最终决定材料的性质，因此，研究固体之间反应的机理及动力学规律，对传统和新型无机非金属材料的生产有重要的意义。
本实验的目的本实验的目的：：（1）了解采用失重法进行固反应研究的方法；（2）探讨Na2O - 2Si O 2系统的固相反应动力学；（3）验证固相反应的动力学规律——杨德方程。
2．2 实验基本原理固态物质中的质点，在一般温度下总是在其平衡为附近做热振动。
在温度升高时，振动作用增大，当温度达到某种程度时，晶格中的原子或粒子就会脱离晶格，与周围的其他粒子产生换位作用，在一元系统中表现着烧结的开始，如果在二元或多元系统中则会有新的化合物产生，亦即发生固相反应，这时反应是在没有液相、气相参加下进行的，反映发生的温度低于液相出现的温度。
当然，在实际生产中，多数情况下反应过程中生的液相或气相使参与所进行的固相反应的。
测定固相反应速度问题，实际就是测定反应过程中各反应阶段的反应量的问题，侧定有多种方法，本实验通过失重法研究Na 2O - 2Si O 2系统的固相反应，以观察它们之间的反应动力学，并可对固相反应的速率做定量的研究和验证固相反应动力学公式。
Na2O - 2Si O 2系统的固相反应按下式进行：Na2CO3 + SiO2= Na2SiO3 + CO2↑反应是按分子比例作用的。
在进行反应过程中，在某一温度下，随时间的增长Na2CO3反应量增多，逸出的CO 2的量也增多，若能测量出系统各时间下失去的CO2的重量，则可算出Na2C O3的反应量，从而得到转化率G 。
根据杨德方程[1-（1-G ）1/2]2 = Kj t 。
绘制出[1-（1-G ）1/2]2= Kj t 曲线，若曲线为一直线则说明在此段时间范围内动力学关系符合杨德方程，直线的斜率即为反应速率常数。
固相反应动力学实验报告
固相反应动力学实验设计报告一、实验具体项目通过Na2CO3-SiO2系统的反应（Na2CO3＋SiO2—→Na2SiO3＋CO2↑）验证固相反应的动力学规律-金斯特林格方程。
通过作图计算出反应的速度常数和反应的表观活化能。
二、实验方法TG法。
现代热重分析仪与微分装置连用，可同时得到TG-DTG 曲线，即得到固相反应系统的重量变化与时间的关系。
三、实验仪器和药品Q600-SDT差示扫描量热/热重（DSC/TGA）同步热分析仪、铂金坩埚一只、不锈钢镊子两把、Na2CO3一瓶、SiO2一瓶（均为A·R级）四、实验步骤1、样品制备将Na2CO3和SiO2分别在玛瑙研钵中研细，过250目筛。
SiO2的筛下料在空气中加热至800℃，保温5h，Na2CO3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，放入干燥器内备用。
2、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23±5℃。
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。
2).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,推荐的流量设置为20ml/min。
3).设定所需的SDT模式及要保存的信号(热流、重量或Delta/T)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到测杯中。
5).记录数据：反应时间:t(min)；坩埚与样品重量W1(g)；CO2累计失重量W2(g)；Na2CO3转化率G：[1-⅔G-(1-G)2/3]=Kkt Na2CO3~SiO2系统固相反应实验数据记录反应时间t/min 初始质量/mg热重热重差（CO2累计失重量W2/mg）NaCO3转化率G/%D3=[1-(1-G)^（1/3）]^2D4=1-2/3G-(1-G)^(2/3)0 9 0.62213 0 0 0 05 0.75536 0.13324 0.075494848 0.000666995 0.000655517 10 0.85410 0.23196 0.131487919 0.002107219 0.002042723 15 0.97958 0.35740 0.202621924 0.005284926 0.005028799 20 0.99389 0.37172 0.210742468 0.005754168 0.005463178 25 1.07849 0.45638 0.258717078 0.009019987 0.008448859五、预期结果取28.4min 700℃为零点六、作出D3-t和D4-t图像如下杨德方程金斯特林格方程当通过数据处理后作出两条曲线基本通过原点时就证明实验的误差比较小。
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实验十七固相反应
一．目的意义
固相反应是材料制备中一个重要的高温动力学过程，固体之间能否进行反应、反应完成的程度、反应过程的控制等直接影响材料的显微结构，并最终决定材料的性质，因此，研究固体之间反应的机理及动力学规律，对传统和新型无机非金属材料的生产有重要的意义。
本实验的目的：
1.掌握TG法的原理，熟悉采用TG法研究固相反应的方法。
2.通过Na2CO3 －SiO2系统的反应验证固相反应的动力学规律─杨德方程。
3.通过作图计算出反应的速度常数和反应的表观活化能。
二．基本原理
固体材料在高温下加热时，因其中的某些组分分解逸出或固体与周围介质中的某些物质作用使固体物系的重量发生变化，如盐类的分解、含水矿物的脱水、有机质的燃烧等会使物系重量减轻，高温氧化、反应烧结等则会使物系重量增加。
热重分析法（thermogravimetry，简称TG法）及微商热重法（derivative thermogravimetry，简称DTG法）就是在程序控制温度下测量物质的重量（质量）与温度关系的一种分析技术。
所得到的曲线称为TG曲线（即热重曲线），TG曲线以质量为纵坐标，以温度或时间为横坐标。
微商热重法所记录的是TG 曲线对温度或时间的一阶导数，所得的曲线称为DTG曲线。
现在的热重分析仪常与微分装置联用，可同时得到TG - DTG曲线。
通过测量物系质量随温度或时间的变化来揭示或间接揭示固体物系反应的机理和/或反应动力学规律。
固体物质中的质点，在高于绝对零度的温度下总是在其平衡位置附近作谐振动。
温度升高时，振幅增大。
当温度足够高时，晶格中的质点就会脱离晶格平衡位置，与周围其它质点产生换位作用，在单元系统中表现为烧结，在二元或多元系统则可能有新的化合物出现。
这种没有液相或气相参与，由固体物质之间直接作用所发生的反应称为纯固相反应。
实际生产过程中所发生的固相反应，往往有液相和/或气相参与，这就是所谓的广义固相反应，即由固体反应物出发，在高温下经过一系列物理化学变化而生成固体产物的过程。
固相反应属于非均相反应，描述其动力学规律的方程通常采用转化率G（已反应的反应物量与反应物原始重量的比值）与反应时间t之间的积分或微分关系来表示。
测量固相反应速率，可以通过TG法（适应于反应中有重量变化的系统）、量气法（适应于有气体产物逸出的系统）等方法来实现。
本实验通过失重法来考察Na2CO3 －SiO2系统的固相反应，并对其动力学规律进行验证。
Na2CO3 －SiO2系统固相反应按下式进行：
Na2CO3 ＋SiO2 Na2SiO3 ＋CO2 ↑
恒温下通过测量不同时间t时失去的CO2的重量，可计算出Na2CO3的反应量，进而计算出其对应的转化率G，来验证杨德方程：
[ 1－（1－G）1 / 3 ] 2 = K j t
的正确性。
式中，K j = Aexp（-Q / RT）为杨德方程的速度常数，Q为反应的表观活化能。
改变反应温度，则可通过杨德方程计算出不同温度下的K j和Q。
三．实验器材
1.设备仪器
（1）普通热天平（PRT-1型热天平）
普通热天平由四个单元构成，即天平单元，加热单元，气路单元，温度控制单元。
（2）微量热天平（WRT-2型热天平）
微量热天平由五个单元构成，即天平单元，加热单元，气路单元，温度控制单元，自动记录单元。
图15-1 热天平原理图
1-机械减码2- 吊丝系统3- 密封管4- 进气口5- 加热丝6- 样品盘7- 热电偶8- 光学读数9- 出气口10- 样品11- 管状电阻炉12- 温度控制与显示单元
2.材料
铂金坩埚一只，不锈钢镊子两把，实验原料（化学纯NaCO3一瓶，SiO2一瓶）。
四．测试步骤
1.样品制备
（1）将NaCO3（化学纯）和SiO2（含量99.9 %）分别在玛瑙研钵中研细，过250目筛。
（2）SiO2的筛下料在空气中加热至800℃，保温5 h，NaCO3筛下料在200℃烘箱中保温4 h。
（3）把上述处理好的原料按NaCO3 ：SiO2 = 1 ：1摩尔比配料，混合均匀，烘干，放入干燥器内备用。
2.测试步骤
（1）开冷却水龙头，水量应适中。
（2）接通电炉电源，按预定的升温速率升温，大约10～20℃/min，达到700℃时保温5 min后待测。
（温度控制器操作方法参考淬冷法研究相平衡实验中的附注）（3）称量样品，记录天平零点读数；铂金坩埚放入PRT-1型天平左盘，记录读数；
取出坩埚，装入大约0.5 g的样品，再记录天平读数。
（4）将装有样品的坩埚挂在热天平的挂钩上，提升电炉至限位点后固定住电炉。
（5）坩埚置入炉内的同时记录时间，以后每隔3～5 min记录一次时间和重量，记录5～7次数据。
（6）取出坩埚，倒去废样，重新装样，进行750℃的测试。
（7）实验完毕，取出坩埚，将实验工作台物品复原。
五．数据处理
以下表方式记录实验数据，做[ 1－（1－G）1 / 3 ] 2 ~ t 图，通过直线斜率求出反应的速度常数K j 。
通过K j求出反应的表观活化能Q 。
表15-1 实验数据记录
思考题
1.温度对固相反应速率有何影响？其它影响因素有哪些？
2.本实验中失重规律怎样？请给予解释。
3.影响本实验准确性的因素有哪些？
主要参考文献
[1] [日] 日本化学协会编，董万堂，董绍俊译．《无机固态反应》．科学出版社．1985年。
[2] 浙江大学等编．《硅酸盐物理化学》．中国建筑工业出版社．1981年。
[3] 孙庆凌，沈淑兰编．《硅酸盐物理化学》实验指导书．武汉工业大学．1992年。