熱化學反應動力學研究

摘要：NH4Cl和NaNO2在一定條件下反應產生大量的熱和氣體，利于蠟的熔化和剝離，只有掌握它的反應動力學特征，了解它的最佳反應條件及其影響因素，才能更好的利用其熱量。本文通過測量不同條件下兩者反應生成氣體和溫度的變化量，計算出各種相關的動力學參數，得到該反應的動力學方程。

關鍵詞：亞硝酸鈉 氯化銨 熱化學 化學反應 動力學

Research on chemical reaction Dynamics

Li Dongju1 He Chengzu1，2

（1Xinjiang Keli New Technology Development Company Ltd. ， Karamay， Xinjiang 834000， China；2 College of Materials and Chemistry Chemical Engineering， Chengdu University of Technology ， Chengdu ， Sichuan 610059 ， China）

Abstract： There are lots of heat and gas when NH4Cl and NaNO2 react under certain conditions. The heat and gas are beneficial to eliminate wax. We can take advantage of the thermal if we know the reaction dynamics condition and influencing factors. In this paper，we could get reaction kinetics equation through measuring the amount of gas and temperature changes of solution in different conditions and calculating the dynamics of all relevant parameters.

Key Words： Sodium Nitrite；Ammonium Chloride；Thermochemistry ；Chemical Reaction； Dynamics

NH4Cl和NaNO2是廉價而得的普通化學試劑，在一定條件下反應產生大量的熱和氣體。近年來作為發熱劑用于油井，又利于蠟的熔化和剝離，是優良的油井清蠟解堵劉之一。然而，只有掌握它的反應動力學特征，了解它的最佳反應條件及其影響因素，才能更好的利用其熱量[1]。

1、反應方程式

1摩爾NaNO2溶液和1摩爾NH4Cl溶液反應放出332.58千焦耳熱量，釋放出22.4升氮氣（0.1MPa，250C），化學反應式如（1）式：

（1）

因此，將1升濃度為1mol/L（69g/L）的NaNO2溶液和1升濃度為1mol/L（53.5g/L）的NH4Cl溶液進行反應，已知水的比熱容量為4.2kJ/Kg，0C，設放出的熱量完全被溶液本身（即2升）水吸收，則水溫將升高 。

NaNO2和NH4Cl的反應速度式為

（2）

式中：

A——指數前因子， ；

CH——酸的濃度，mol/L；

m——酸的反應級數；

CNO-2——NaNO2的濃度，mol/L；

n1——NaNO2的反應級數；

CNH+4——NH4Cl的濃度，mol/L；

n2——NH4Cl的反應級數；

ΔE——活化能，kJ/mol；

R——氣體常數，8.314J/k；

T——絕對溫度，k。

若NaNO2和NH4Cl的摩爾濃度均為C，則（1）式成為

（3）

式中n=n1+n2。

對（3）式積分，移項，取對數

（4）

（5a）

（5b）

式中：

t——反應物濃度降至c=c0/v時的時間，S；

C0——反應物NaNO2和NH4Cl的初始濃度，mol/L；

ν——初始濃度與剩余濃度的比值。

2、實驗部分

2.1實驗儀器及藥品

實驗儀器：磁力攪拌器、保溫槽、氣體流量計、溫度計

實驗藥品：NaNO2（分析純）、氯化銨（分析純）、磷酸

2.2實驗方法

在一定溫度時將等摩爾濃度的NaNO2和NH4Cl溶液反應，根據釋放出氮氣的體積量度反應進程，例如200ml 1mol/L NaNO2和1mol/L NH4Cl溶液反應釋放出4.48L氮氣，故當釋放出0.5L和1L氮氣時，初始濃度與當時濃度的比值ν分別為4.48/3.98=1.126和4.48/3.48 =1.287。測量ν一定時反應時間隨溫度、酸濃度和反應物初始濃度的變化關系，計算出各種相關的動力學參數。

3、實驗結果

3.1 求△E

在NaNO2和NH4Cl的初始濃度C0=1mol/L，酸濃度CH=0.0461mol/L時，測量不同溫度時，ν分別為1.126和1.278的時間t。Lnt對1/T作圖得一直線，如圖1所示，斜率均為8797。根據（5a）式，Lnt對1/T作圖得一直線，見圖1，由直線斜率和截距可分別求出活化能△E和指數前因子A的數值。

圖1 Lnt—1/T關系曲線 （ ◆ν=1.126，■ν=1.287）

Fig. 1 the curve relation of Lnt—1/T （◆ν=1.126，■ν=1.287）

由式（5a）及圖1中直線斜率和截距可得，

活化能 （6a）

（7a）

3.2 求m

在溫度T=310C，NaNO2和NH4Cl初始濃度C0=1mol/ L時，測量不同酸濃度CH，ν分別為1.126和1.278時的時間t。Lgt對-LgCH作圖得一直線，如圖2所示，由直線斜率和截距可分別求出酸的反應級數m和指數前因子A的數值。

圖2 Lgt—（-LgCH）關系曲線 （◆ν=1.126，■ν=1.287）

Fig. 2 the curve relation of Lgt—（-LgCH） （◆ν=1.126，■ν=1.287）

由圖2可知，兩條直線斜率分別為1.24和1.04，平均值為1.14，故

m=斜率=（1.24+1.04）/2 =1.14 （6b）

（7b）

3.3 求n

在溫度T=310C，酸濃度CH=0.0461mol/L時，測量不同NaNO2和NH4Cl的初始濃度（兩者初始濃度相等）時，ν為1.098、1.155、1.126時的時間t。Lgt對LgC0作圖得一直線，如圖3所示。由直線斜率和截距可分別求出NaNO2和NH4Cl的反應級數之和n和指數前因子A的數值。

圖3 Lgt- LgC0曲線

Fig. 3 the curve relation of Lgt- LgC0

由圖3可知，

n=1-斜率=1-（-0.96）=1.96 （6c）

（7c）

3.4 求A

將圖1-3中各直線截距、反應級數m、n和活化能△E代入（7a） 、（7b和） （7c）得到五個指數前因子A的數值，分別為2.2×1010、2.2×1010、1.2×1010、5.0×1010和2.0×1010。平均值為2.3×1010。

3.5 動力學方程

由以上數據，最后得到動力學方程為

（8）

3.6半衰期計算公式

將ν=2代入（5b）式，得到半衰期的計算公式

（9）

如CH=0.0462mol/L，C0=1 mol/L，上式則成為

（10）

4、結論

通過實驗結果可知，最終得到的動力學方程為：

（11）

由該式可以看出，反應物和催化劑濃度決定反應速度，為工業上原料利用提供了設計依據，更能充分利用其反應產生熱量。

吳安明等[2]的化學反應速度式為

（11a）

（速度常數量綱為）

Nguyen[3]的化學反應速度式為

（11b）

（速度常數量綱應為 ，作者為

，疑有誤）

參考文獻：

[1]堪智等.NH4N03與NaNO2發熱反應速率的研究[J].化學工程師，1995，（4）.

[2]吳安明，陳茂濤，顧樹人，王衛軍. NaNO2和NH4Cl反應動力學及其在油田的應用研究[J].

石油鉆采工藝，1995，17（5）：60-64.

[3] Nguyen D A. Michael A. Iwaniw H. Fogler H S. Kinetics and mechantsm of reaction

between ammonium and nitrite ions：experimental and studies. Chem.Eng.Sci.2003

附件

表1 計算指數前因子A的中間數據

Table 1 intermediate data for computing pre-exponential factor A

表2 指數前因子A計算數值

Table 2 Numeric of pre-exponential factor A