CaCO3固相分解反应速率常数的测定.doc

综合设计性材料实验论文CaCO3固相分解反应速率常数的测定学 号：201010210341 姓 名：陈巧专业班级：无机非金属材料3班指导老师：范学运学 院：材料科学与工程学院 CaCO3固相分解反应速率常数的测定摘 要 此次试验采用量气法来测定CaCO3固相分解的反应速率常数，在选择假定CaCO3分解动力学方程的基础上，对于实验规格的CaCO3试品在750820每隔下108个温度点下测定其反应速率常数。关键词 CaCO3 反应速率常数 量气法 1、 前言固相反应在无机非金属固体材料的高温过程中是一个普遍的化学现象,它是一系列金属合金材料、传统硅酸盐材料以及各种新型无机材料制备涉及的基本过程之一。固相反应的类型及影响反应速率的因素很多，最主要的因素有反应温度、保温时间、参加反应物质的颗粒大小、其相互接触的紧密程度及反应物之比例等。CaCO3 的分解采用常用的未反应核(或称缩核)模型来描述, 即在碳酸钙分解过程中,原来颗粒大小基本保持不变,分解反应从颗粒表面开始. 随着反应的进行就形成了反应物核和分解产物层的两相的界面,称为反应前沿,反应前沿随反应的进行而由表面深入内部,未反应物核相应地缩小,直至消失.A.Muller认为处于料粉粒径大小碳酸钙分解的时间主要取决于化学反应速率。换言之, 即在不考虑环境条件的情况下, 影响碳酸钙分解的最主要的因素是反应速率常数。CaCO3分解动力学方程为 F=1-（1-X）1/3=KtCaCO3 热分解是受3种机理控制,即传热、CO2扩散和化学反应；经研究证实了对于细CaCO3颗粒分解，由于粒径较小，传热良好的CO2 扩散阻力小，化学反应是控制分解速率的主要因素，在众多化学反应控速机理中，相界反应（球形对称）机理是化学反应控速的主要机理。2、实验内容 2.1仪器装置景德镇陶瓷学院 | 工程学院1) 反应管2) 反应筒（铂金）3) 高温电炉4) 挂筒小钩5) 水银温度计6) 三通开关7) 量气管8) 水套管9) 水准瓶10) 可控硅温度控制器2.2实验步骤1. 将坩埚作和吊丝置于天平右盘上，精确称出吊丝和坩埚重量m1，在坩埚内称入0.1左右样品，记下总重量m2， 置于炉内反应管中，挂于小钩上。2. 检查仪器密封情况，若不漏气，方可进行实验。（将三通开关打开，看水准瓶内的液面是否和量气管内的液面保持一致。3. 按装置图检查线路，没有问题时才接通电源，调节温度控制器，加热电炉。4. 继续加热电炉，达一定温度（750左右），使温度稳定10分钟，记下量气管的起始读数，做好准备工作，关闭三通开关，将悬丝脱开，使反应筒落入反应管中，与此同时按动秒表，记录时间。5. 读数时应将水准瓶与量气管中液面保持在同一水平，保证反应体系的压力与外界大气压一致。每隔5秒记录一次时间及量气管上的读数，记录12个数据以上。6. 整个实验中应严格控制温度，跳动温度范围5. 7.重复实验，分别控制炉温为在760、770、780、790、800、810、820温度下进行实验。3、 实验结果分析与讨论3.1实验数据及相应图表1 T=760 m1=4.589 g m2=4.501 gt05101520253035404550体积/ml27.23637.236.435.735.234.734.434.234.133.9t556065707580859095100体积/ml33.533.43332.932.932.532.432.432.1322 T=760 m1=4.493 g m2=4.584 gt05101520253035404550体积/ml24.628.729.730.130.129.829.729.629.529.429.3t5560657075体积/ml29.329.329.229.229.23 T=770 m1=4.447 g m2=4.579 gt05101520253035404550体积/ml27.431.733.233.33332.732.332.331.831.831.8t5560657075808590体积/ml31.731.531.431.330.930.930.930.94 T=780 m1=4.470 g m2= 4.567 gt05101520253035404550体积/ml29.139.84140.139.338.137.537.236.736.236.2t5560657075808590体积/ml36.23635.735.835.735.435.435.45 T=790 m1=4.479 g m2= 4.580 gt05101520253035404550体积/ml25.827.828.629.129.429.429.429.629.729.829.9t5560657075808590体积/ml30.230.230.230.430.530.530.630.56 T=800 m1=4.442 g m2= 4.562 gt05101520253035404550体积/ml28.129.229.629.629.529.529.529.329.429.729.7t556065707580859095100105体积/ml29.729.729.929.829.929.829.929.93030.130.2t110115120125130体积/ml30.330.430.530.630.77 T=810 m1=4.430 g m2= 4.527 gt05101520253035404550体积/ml25.726.126.626.826.826.826.926.92727.127.4t556065707580859095100105体积/ml27.627.627.62827.828.128.428.628.729.530.2t110115120125130135140体积/ml3131.532.232.833.233.634.38 T=820 m1=4.430 g m2= 4.528 gt05101520253035404550体积/ml2727.42828.328.428.528.528.728.82929t556065707580859095100105体积/ml29.229.429.529.629.829.9303030.230.431t110115120125130135140145150155体积/ml31.732.63333.734.234.835.235.435.635.63.2结果分析与讨论由实验数据所得相应的图可以看出750、760、770、780下的图F值随时间t的变化趋势相同，都是前几十秒内随时间较快的增大，到转折点后开始逐渐减小，增大的阶段比减小阶段更陡峭，变化更快，说明在刚开始一段时间内CO2生成量较多，而后面一段时间不仅没有生成CO2反而消耗了CO2，虽然消耗的量很少。造成这种结果的原因可能是因为炉温750至780，达不到CaCO3的分解温度，刚开始的几十秒内迅速生成的部分CO2是由于表面很少部分的CaCO3受热分解，而后阶段体系中CO2的量减少了排出气密性不好的问题，实验前已检查过气密性良好，由此推断可能是由于生成的CaO与CO2又合成了CaCO3。790、800下的图F值随时间t的变化趋势大致相同，都是随着时间的增加而增加，但是在开始的3个点可以看出F值增长较快，从整体上看CaCO3分解反应速率常数为接近某一常数，CaCO3在不断分解。790时直线斜率为0.5103 ，800时直线的斜率为0.110-3 ，则说明790比800时斜率大，即是反应速率常数790比800时大，这与实际理论不符合。我们知道在没有完全达到CaCO3分解温度时，提高温度有利与CaCO3的分解，所以从图分析，去掉前几十秒的3至4个点再做直线得出斜率，可以明显看出800时直线较陡峭些，斜率更大。810、820下的图F值随时间t的变化趋势大致相同，都是分为两个阶段，前阶段较平缓，后阶段很陡峭。CaCO3的分解过程存在着诱导期和恒速期两个阶段。诱导期的形成是由于试验初始阶段物料的温度尚未达到炉内的给定温度, 处于不稳定的蓄热阶段, 这时主要靠炉内辐射将热量传给物料直接受热表面, 所以表现出反应速率较恒速期小。810时k1=0.410-3、 k2=2.310-3，820时k1=0.510-3、k2=1.810-3。两温度下k1值相差不大，说明温度对于诱导期反应速率的提升没有多大作用。820时k2的值比810时稍小，与理论不符，理应820时k2的值比810要大，不过两者相差也不算大。由实验所得的数据得到的图线，求出的斜率不是很理想，主要原因可能是因为实验仪器的问题。理论上CaCO3的分解温度为825896.6，而实验条件下的温度范围为750820，实验室的电炉温度只能达到820左右，且实验过程中电炉的温度不是很稳定。由于温度的影响，推断810、820温度下所得的实验结果比较符合实际。 4、 结论1.试验表明CaCO3分解的过程可分为两个主要阶段. 即诱导反应期与恒速反应期。诱导期的特点是颗粒内外温度梯度较大, 处于不稳定蓄热过程,恒速期的待点是颗粒温度梯度较小. 可以认为, 分解反应是由与热气流直接接触的表面开始, 再逐步向试样内部深入, 而使反应趋于完成。2.在此次实验中CaCO3分解，影响其反应速率因素中最主要的是温度。3. CaCO3分解在820左右时的固相反应速率常数为10-3数量级。5、参考文献1.范浩杰.章明川.吴国新等.碳酸钙热分解的机理研究.动力工程.19982.齐庆杰.马云东.刘建忠等.碳酸钙热分解机理的热重试验研究.辽宁工程技术大