实验一 固相反应

实验一固相反应

一、实验目的

1. 探讨Na2CO3－SiO2系统的固相反应动力学关系。

2. 掌握用失重法进行固相反应研究的方法。

3. 验证固相反应的动力学规律——杨德方程。

二、实验原理

固相物质中的质点，温度升高时，振动要相应增大，达到一定温度时，其中的若干原子或离子便具有一定的活度，以至可以跳离原来的位置与周围的其他质点发生换位作用。在一元系统中表现为烧结的开始；如果是二元或多元系统，则表现为表面相接触的各物质间有新的化合物生成，亦即发生了固相反应。温度升高，固相反应的速度增大。这种反应是在没有气相和液相参加下进行的，反应发生的温度低于液相出现的温度，这种反应称作纯固相反应。不过实际生产工艺中是在生成的液相和气相参与下所进行的固相反应，因此，这里所提的固相反应是广义的，即由固态反应物出发，在高温下经一系列物理化学变化而生成固态产物的过程。

测定固相反应速度问题，实际上就是测定反应过程中各反应阶段的反应量的问题。因此，有许多中测定方法。

本实验是通过失重法研究Na2CO3－SiO2系统的固相反应，以观察它们之间的反应动力学关系，并可对固相反应的速度做出定量的研究和验证固相反应动力学公式。

Na2CO3－SiO2系统的固相反应按下式进行

Na2CO3＋SiO2＝Na2SiO3＋CO2↑

此反应是按分子比例作用的。若能测得反应进行中各时间下失去的CO2量，就可计算这段时间内反应物的反应量或生成物的生成量。据此，按照固相反应的动力学关系则可求得Na2CO3－SiO2系统固相反应的速度常数。

三、实验仪器装置

1. 电炉1台

2. 电流表1台

3. 温度控制器1台

4. 镍铬电偶1支

5. 热天平1台

6. 坩埚及挂钩1组

实验装置如图1所示。

图1 固相反应实验装置示意图

1─热天平；2─热电偶；3─样品及坩埚；4─电炉；5─温控仪；6─温度表外接电阻；7─电流表；8─自耦变压器

四、实验步骤

1. 先将Na2CO3（化学纯）和SiO2（质量分数99.0%）在玛瑙研钵中研细，取通过140孔的筛下颗粒，这样的颗粒尺寸范围约为0.105～0.074mm。为了除去颗粒表面所吸附的水气及其他气体，并消除研磨颗粒表面所产生的应力，必须将样品进行加热处理。

SiO2在空气中加热到800℃保温5 h；而Na2CO3在CO2气氛中加热至400℃，保温4 h 。

2. 将准备好的试样，按Na2CO3: SiO2=1:1摩尔比配成Na2CO3＋SiO2的混合物，拌均匀，放于干燥器内备用。

3. 称取0.3g左右样品（约坩埚的三分之一）置于铂金坩埚内，称样时准确度达到0.2mg。

4. 炉温升到700℃，保持恒温5 min后，将盛有试样的坩埚放入炉中。待5 min后，开始记失重量。以后每隔5 min记一次数据，共记12次为止。

5. 取出铂金坩埚，倒出内容物，温度升到750℃，重新称试样按上述步骤再做一次。

五、实验数据记录及处理

应用杨德（Gander）固相反应动力学方程式进行计算，方程式如下

[1 - (1 - G) 1/3]2 = Kt(1.1)

式中G ——转化率；

t ——反应时间；

K——反应时间常数。

从上式可见，在一定的反应温度下，取[1 - (1 - G) 1/3]2，对t作图可得一直线，其斜率为K。

实验数据以表1格式记录和计算。

将实验结果以t为横坐标，以[1 - (1 - G) 1/3]2为纵坐标作出一条直线，对最终的结果作一讨论。

表1 实验记录和计算

1. 样品的允许用量为0.35～0.25g。

2. 坩埚不能用手拿，应用不锈钢镊子或纸片夹取。

3. 将坩埚和吊丝同时放在天平上称，不必马上挂好。

4. 开始实验时，可一面用电炉加热，一面称量样品，为不影响称量应盖好炉盖。

5. 放入坩埚时，不要使坩埚与炉壁及其他物品接触。挂好后把盖子盖上，但不能使盖子同铂金丝接触，以免影响称量。

6. 坩埚放入电炉中，就开始记时间。

7. 不进行读数时，应把天平关好。

8. 实验结束后，取出坩埚，待冷却后，倒出内容物，不干净时可用塑料勺柄或毛刷将其处理干净，交给指导老师。

9. 盖好炉盖，切断电源，待指导老师同意后方可离开实验室。

七、思考题

1. 在本实验中失重变化规律如何？温度对反应速率有何影响？

2. 影响本实验准确性的因素哪些？