实验2 Sb2O3真空还原动力学实验
实验学时：4 实验类型：研究 实验要求：必修 一、实验目的
1．掌握真空冶金实验操作的基本技术（如真空和高温的获得等），正确使用所用的仪器与设备。
2．掌握冶金动力学研究方法。
二、实验内容及基本原理
1 实验内容
测出一定温度条件下不同还原时间Sb的还原率，绘出还原率与还原时间的关系图，确定还原反应的控制环节。
2 实验原理
由于Sb2O3具有不熔化的特性，而还原剂碳的熔点很高，在实验所取的温度范围内，Sb2O3和碳都呈固态。在抽真空条件下，Sb2O3和碳的还原过程中产生的CO或CO2气体会很快离开反应区域。因此，与固体C和Sb2O3的固—固相反应相比较，CO气体作为中间产物继续与Sb2O3的气—固相反应几率较少。
因此，Sb2O3真空碳还原反应可看成固—固相反应。下面以固—固相反应模型讨论其动力学过程。
和其它的多相反应一样，Sb2O3真空碳还原反应的反应速率由所包含步骤中的一个或几个所控制。由于还原反应在真空中进行，CO2和CO等气体从反应界面上解吸与扩散很容易进行，不会成为反应的限制步骤。在混合粉末反应中，固体颗粒必须彼此接触，并且至少有一个反应物，在反应开始形成固体残物层后，必须要经过固体残物层而扩散（如图1所示）。
图1 Sb2O3真空碳还原过程示意图
Sb2O3真空碳还原的可能限制性环节为： (1) 碳经过固体残物层的扩散； (2) 碳与Sb2O3在相界面上的化学反应；
(3) 界面化学反应和反应物的扩散共同限制。 不同的速度控制步骤有不同的动力学方程式：
当Sb2O3真空碳还原反应的反应速率受化学反应所控制时，界面上的化学反应速率要远小于反应组分穿过固体残物层的扩散速率，其反应速率方程式表达如下：
1?(1??)13?kt (1-1)
当Sb2O3真空碳还原反应过程的反应速率受碳经过固体残物层的扩散所限制时，扩散速率比在界面上发生的化学反应速率小得多。由于在固体残物层中的扩散现象十分复杂，它受到晶体缺陷、界面的性质和颗粒分布等因素的影响，因此根据不同的条件，提出了不同的数学模型。其中，运用ГинстΛиг方程的效果要好。故反应速率方程式用ГинстΛиг方程表达为：
1?2??(1??)3率可用塔曼的经验关系式进行估计：
23?kt (1-2)
当在固—固相反应的整个过程中各过程的速率都相接近时，固—固相反应速
??klnt (1-3)
以上(1-1)、 (1-2) 、(1-3)各式中，?—t时的反应率；k—反应速率系数。 根据有气体中间产物的固——固反应模型，可确定还原反应的控制环节。 三、实验用仪器与药品
2XZ-1型旋片式真空泵，麦氏真空计，TCE-I型温度控制器，XMZ型数显指示仪，以及自制的专用真空炉，Sb2O3，碳粉，方瓷舟。
四、实验方法与步骤
将盛有10g的Sb2O3和2g的碳粉组成的混合料的方瓷舟放入真空反应器中，抽真空，再分别放入已升到一定温度的真空炉中，加热到指定的温度（分别为923 K、973 K和1023 K）后，开始计算还原时间（每个温度条件下，还原时间分别为5min、10 min、15 min和20 min、）。达到实验设定的时间后立即切断加热电源、停泵，迅速将料舟从加热区中退出。待料舟冷却后，取出还原后得到的金属锑，称重，计算金属锑量，然后按下式计算Sb的还原率，绘出还原率与还原时间的关系图，确定还原反应的控制环节。
Sb还原率=100 %－
还原后得到的金属Sb量×100 %
原料Sb2O3中的Sb量五、实验准备及预习要求
1．实验前，将真空炉预先升到一定温度。
2．实验前，将实验所用的Sb2O3和碳粉按组成混匀。 3．实验前要认真预习。 六、思考题
1．简述真空热还原的主要用途。真空热还原方法的主要优点是什么？ 2．何谓多相反应的限制性环节？ 七、实验报告内容及格式
1. 实验目的 2. 实验内容 3. 实验装置 4. 实验原理 5. 实验步骤
6. 实验结果与分析 7. 思考题解析