第七章 固相反应
第7章 固相反应(1)无机材料科学基础

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2.试比较杨德方程、金斯特林格的优缺点及适用条件。 3. 如果要合成镁铝尖晶石,可供选择的原料为MgCO3、 Mg(OH)2、MgO、Al2O3·3H2O、γ-Al2O3、α-Al2O3。从提 高反应速率的角度出发,选择什么原料较好?请说明原因。
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曲线2下降,催化 产物层加强、致密,使表面活性降低,
Ⅲ 第一脱活期 400~500℃ 特性降低,曲线8 产物层仅限于分子表面膜范围,未构
未出现
ห้องสมุดไป่ตู้成晶核
Ⅳ
二次活化期
500~620℃
曲线2↑,曲线8开 扩散结果使表面层疏松和活化,表面
始出现
活性增加,晶核开始形成
Ⅴ
晶体形成期
620~750℃
曲线8上升, 曲线2下降
阶段
名称
温度
现象
原因
Ⅰ 隐蔽期
<300℃
曲线1下降,吸附
反应物相互接触,低熔点反应物因流 动性大,包围了另一种反应物,故称
色剂能力下降。
隐蔽期,结果使表面积降低。
第七章固相反应

第七章固相反应第七章固相反应固相反应在固体材料的⾼温过程中是⼀个普遍的物理化学现象,⼴义地讲,凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应。
例如固体的热分解、氧化以及固体与固体、固体与液体之间的化学反应等都属于固相反应范畴之内。
但从狭义上,固相反应常指固体与固体间发⽣化学反应⽣成新的固体产物的过程。
Tammann 等很早就研究了CaO 、MgO 、PbO 、CuO 和WO 3的反应,他们分别让两种氧化物的晶⾯彼此接触并加热,发现在接触⾯上⽣成着⾊的钨酸盐化合物,其厚度x 与反应时间t 的关系为C t K x +=ln ,确认了固态物质间可以直接进⾏反应。
因此Tammann 等提出:(1) 固态物质间的反应是直接进⾏的,⽓相或液相没有或不起重要作⽤;(2)固相反应开始温度远低于反应物的熔融温度或系统的低共熔温度,通常相当于⼀种反应物开始呈现显著扩散作⽤的温度,这个温度称为泰曼温度或烧结温度。
对于不同物质的泰曼温度与其熔点(m T )间存在⼀定的关系。
例如,对于⾦属为0.3~0.4m T ;盐类和硅酸盐则分别为0.57m T 和0.8~0.9m T 。
(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,这⼀规律称为海德华定律。
Tammann 等⼈的观点长期为化学界所接受,但随着⽣产和科学实验的发展,发现许多固相反应的实际速度⽐Tammann 理论计算的结果快得多,⽽且有些反应(例如MoO 3和CaCO 3的反应)即使反应物不直接接触也仍能较强烈地进⾏。
因此,⾦斯特林格等⼈提出,在固相反应中,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,表明⽓相或液相也可能对固相反应过程起重要作⽤。
显然这种作⽤取决于反应物的挥发性和体系的低共熔温度。
图7-1描述了物质A 和B 进⾏化学反应⽣成C 的⼀种反应历程:反应⼀开始是反应物颗粒之间的混合接触,并在表⾯发⽣化学反应形成细薄且含⼤量结构缺陷的新相,随后发⽣产物新相的结构调整和晶体⽣长。
硅酸盐物理化学第七章固相反应

第七章 固相反应固相反应定义:〔广义〕凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应.〔狭义〕固相反应物之间发生化学反应生成新的固相产物的过程.固相反应开始温度常低于反应物的熔点.固相反应温度是指反应物内部质点呈明显扩散时的温度,常称为泰曼温度,各种物质的泰曼温度〔T S 〕与熔点〔T M 〕关系为:T S =0.3~0.4T M 金属T S =0.57T M 盐类T S =0.8~0.9T M 硅酸盐固相反应按反应性质划分为:氧化、还原、置换、加成和分解等五类,对硅酸盐材料,尤以加成反应与分解反应最为重要.固相反应的一般动力学方程:固相反应的基本特点是反应通常由几个简单的物理化学过程,如化学反应、扩散、结晶、溶解、升华等步骤构成.因此整个反应的速率将受到其所涉及的各个阶段速率的影响.其中速率最慢的一步将对整个反应速率有决定性影响.若将反应速率的倒数理解为反应的阻力,那么反应的总阻力等于各个环节分阻力之和,固相反应总速率V : V=1/<nV V V V 1111321++++ > <7-1> 式中21V V 3V n V 分别代表构反应各环节的最大可能速率.化学反应动力学方程:固相反应与化学反应动力学速率表达式相同,但用转化率代替浓度.转化率定义为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.转化率G 与半径为R 的球形反应物颗粒及反应层厚度x 的关系是:G=1-<1-0/R x >3 <7-2>若为一及反应那么有动力学式:dG/dt=KF<1-G> <7-3>式中F 为反应截面积.K 为反应速率常数.扩散动力学方程:1.杨德尔方程:[1-31)1(G -]2=K j t <7-4>2.金斯特林格方程: 1-32G-32)1(G -=K K t <7-5> 式中G 转化率:t 为反应时间;K j 为杨氏方程速率常数;Kk 为金氏方程速率常数.两方程差异主要在于杨氏模型中假设球形颗粒反应截面积始终不变,而金氏模型中假设反应产物层厚度x 随时间而向球中心推进.因而杨氏方程仅适用转化率G<0.3,而金氏方程适合用转化率G<0.8.影响固相反应的主要因素有:反应物化学组成和结构;反应物颗粒尺寸及分布;反应温度、压力、气氛;矿化剂的加入等.。
第七章扩散与固相反应

C( x, t ) C0 erfC( x 2 Dt )
实际应用: (1)由误差函数求t时刻,x位置出扩散质点
的浓度C(x,t); (2)利用实测C(x,t),求扩散深度与时间 的近似关系。
C ( x, t ) x erf C Dt K Dt 0
1
恒定量扩散:一定量的扩散相Q由晶体表面向内部的扩散。
1.恒定源扩散
边界条件为:
C 2C D 2 t x t 0, x 0, C ( x, t ) C ( x,0) 0
t 0, x 0, C ( x, t ) C (0, t ) C0
满足上述边界条件的解为:
条件:稳定扩散——指在垂直扩散方向的任一平面上,单位时间 内通过该平பைடு நூலகம்单位面积的粒子数一定,即任一点的浓度不
随时间而变化, C 0, J=常数 , J 0.
t x
二、菲克第二定律 —— 非稳定扩散
如图所示:在扩散方向上取体积元 Ax , J x 和 J x x 分别 表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量,则在Δt 时间 内,体积元中扩散物质的积累量为:
一、基本概念
1.扩散现象
§7.1 引言
气体在空气(气体)中的扩散 气体在液体介质中的扩散 液体在液体中的扩散 固体内的扩散: 气体在固体中的扩散 液体在固体中的扩散 固体在固体中的扩散
扩散 —— 当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在
时,由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程。 扩散是一种传质过程:宏观上表现为物质的定向迁移 扩散的本质:质点的热运动(无规则运动) 注意:扩散中原子运动的自发性、随机性、经常性,以及 原子随机运动与物质宏观迁移的关系
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
第七章固相反应

设单位时间内通过球面扩散入产物层AB中A 的量为dmA/dt,由扩散第一定律:
dmA / dt D4r (c / r) r Rx M ( x)
2
设这是稳定扩散过程,因而单位 时间内将有相同数量的A扩散通过 任一指定的r球面,其量为M(x)。
考虑在反应过程中反应截面随
反应进程变化这一事实,认为
实际反应开始以后生成产物层
是一个球壳而不是一个平面。
• 当反应物A和B混合均匀后,若A 熔点低于B,A可以通过表面扩散 或通过气相扩散而布满整个B的 表面。 • 在产物层AB生成之后,反应物A在产物层中扩散速率远 大于B、并且在整个反应过程中,反应生成物球壳外壁 (即A界面)上,扩散相A浓度恒为C0,而生成物球壳内 壁(即B界面)上,由于化学反应速率远大于扩散速率, 扩散到B界面的反应物A可马上与B反应生成AB,其扩散 相A浓度恒为零,故整个反应速率完全由A在生成物球壳 AB中的扩散速率所决定。
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
当整个反应过程达到稳定时,整体反应速率V为:
V VR VD
C0 C dC V KC D D dx x
K C C 0 /(1 ) D
1 1 1 1 1 V KC0 DC0 KC0 D(C0 0) /
(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 ; (3) A在产物层中的浓度梯度是线性的,而扩散层截面积一定。
反应物颗粒初始体积:
4 3 V1 R 0 3
未反应部分的体积:
4 V2 ( R0 x) 3 3
第7章 固相反应

(2)置换反应 置换反应是另一类重要的固相反应,其反应通式为: A + BC → AC + B AB + CD → AD + BC ABX + CB → CBX + AB 这时反应物必须在两种产物层中扩散才能使反应继续
进行。并将形成种种反应物与生成物的排列情况。 产物层排列主要取决于反应物的扩散组元、产物与反
固相反应包括两个过程:
①相界面上的化学反应;
②反应物通过产物扩散(物质迁移)。
(3)固相反应通常需在高温下进行,且由于反应发
生在非均相系统,因而传热和传质过程都对反应速度
有重要影响。
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3. 固相反应的分类 (1)按参与反应的物质状态分类 ① 单种固态物质的反应。包括固体物质的热分解、
聚合,固体中的相变与缺陷平衡等。 ② 固态与液态物质之间的反应; ③ 固态与气态物质之间的反应; 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
第七章 固相反应
第一节 固相反应理论基础 第二节 固相反应的主要类型
1
第一节 固相反应理论基础
一、概论
1. 固相反应的定义 2. 固相反应的特点 3. 固相反应的分类 4. 固相反应的一般机理 5. 几类重要固相反应的机理特点
二、固相反应动力学
1. 一般动力学关系 2. 反应控制动力学 3. 扩散控制动力学
(4)热分解反应 这类反应常伴有较大的吸热效应,并在某一狭窄温
度范围内迅速进行,分解产物要经历扩散过程。
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二、固相反应动力学
1. 一般动力学关系 固相反应通常是由一系列物理、化学过程(如化学
反应、扩散、结晶、熔融、升华等)构成,其中速度最 慢的一步决定反应的总速率,称为反应控速步骤。
材料科学基础 第七章 扩散与固相反应

0
e
2
d
0
第二种情况
C ( x, t )
Q 2 Dt
exp(
x
2
)
4 Dt
第三节
一、扩散推动力
扩散机理和扩散系数
根据热力学,扩散过程的发生与否与系统中化学势有根 本的关系,物质从高化学势流向低化学势是一个普遍规 律,一切影响扩散的外场(电场、磁场、应力场等)都 可以统一于化学势梯度之中。 因此,扩散推动力的本质是化学势梯度,而且只有当化 学势梯度为零时系统扩散方可达到平衡;浓度梯度不是 质点定向扩散推动力的实质。
由热力学理论可知,在多组分的多相系统中任一组分i由α
相迁移到相中,迁移量为dni mol,系统的吉布斯自由能 的变化为: dG dn dn
i i i i
要使上述迁移过程自发进行,必须是 :
dG i dni i dni 0
因式中 dni>0,所以:
不稳定扩散根据边界条件分为两种情况:
一是扩散物质浓度(C0)在晶体表面保持不变; 二是一定量(Q)的物质由表面向晶体内部扩散。
c c0
c
x
x
第一种情况
C ( x, t ) C0 erfc(
erf ( ) 2
x 2 Dt
)
2
e
2
d ,
erfc( ) 1
a、金属离子空位型
造成这种非化学计量空位的原因往往是环境中氧分压升 高迫使部分Fe2+ 、Ni2+ 、Mn2+ 等二价过渡金属离子变成 三价金属离子,如:
2M
M
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On Fick’s First law, the diffusion rate of oxygen VD:
K —— constant of chemical reaction
C —— concentration of oxygen on the
x
dC VD D dX
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interface
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3
7.1 Solid State Reactions:
General Aspects
Classical solid state reaction: The starting materials are finely grinded pressed to a pellet and heated to a temperature „near“ the melting temperature. The reaction progress then depends on different parameters 1. Temperature - activation energy of diffusion is lowered with increasing temperature empirical rule: Treaction > 2/3 Tmelting temp. (T[K]) 2. Energetics - classical Solid State reactions are in general exothermic and „thermodynamically controlled“ ! 3. Yield Products are formed in a yield of 100% 4. Grain Structure Porosity, grain size distribution and contact planes between reacting grains are of paramount importance for the reaction progress
Classical chemical-reaction homogeneous reactions
kinetics:
The basis for understanding rate phenomena of heterogeneous reaction
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Considering the oxidation of metal 1 M ( S ) O2 ( g ) MO ( S ) 2
Chapter 7 Solid State Reaction
Xu Lingling, Dr. College of Materials Science and Engineering Nanjing University of Technology
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1
Necessary
Popular physicochemistry during high temperature process of solids
3.
Structure tends to perfect, crystal growth Further reaction controlled by the diffusion (by surface, boundary, crystal fissure) of reactant substances through the layer of product
Step 4. The product,
, diffuses out of the pores.
Step 5. The product returns to surroundings.
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7.3 General kinetic limits
The overall reaction rate is determined by the slowest of all series steps.
Step 1. The gaseous reagent diffuses from the surroundings onto the catalyst surface.
Step 2.
diffuses into the porous structure.
Step 3.
reacts at the pore walls.
(1)
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Characteristics (5) The temperature of solid state reaction takes place is lower than that of melting temperature of reactants or eutectic temperature of system. ~ obvious diffusion ——Tamman Temperature (泰曼温度) / Sintering( 烧 结) Temperature。 metal: Ts = (0.3~0.4)Tm salt: Ts = 0.57 Tm silicate: Ts = (0.8~0.9)Tm (6) An increase in solid – state reaction rate is frequently observed at a polymorphic transition temperature —— Hedvall Effect(海德华定律)。
1 1 1 V KC 0 DC0
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(1) Rate of diffusion >> rate of reaction
K
D
V KC0 VR max
—— chemical reaction-limited
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(2) Rate of diffusion << rate of reaction
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7.2 Process of solid reaction
1. Mixing of reactant particles, contact each other
2. New phase(with large amount of defect) formed by chemical reaction on the interface
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Oxidation of metal
On the basic principle of chemical reaction kinetics, the oxidation rate of metal per unit area on the interface VR:
V R KC
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Characteristics
Heterogeneous reaction (2) Reaction interface between the reacting phases, such as nucleus and matrix or crystal and melt (3) Three steps in series Material transport to the interface Reaction at the phase boundary Sometimes, transport of reaction products away from the interface (4) Reaction at the phase boundary liberate or absorb heat, changing the boundary temperature and limiting the rate of the process
D —— diffusion coefficient of
oxygen in the product layer
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At stable state of overall reacdx D
x
C0 C
K C C 0 /(1 ) D
Major process of materials manufacture
Control the industrial process
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Definition
In general
chemical reaction with solid phase
Strictly
solid +solid solid
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Types of solid state reaction
According to the state of reactant solid-solid reaction reaction with liquid reaction with gas
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According to the characteristics
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Solid-Solid Reaction
Model for a classical solid-solid reaction (below melting point !): Interface between two crystals or two grains of a powder possible products: small crystallites (“powder”), single crystals ...
Liquid
Thin oxide layer as result of solid–liquid reaction at the interface