Istraživanje reakcije između srebrnog sulfida i natrijevog cijanida

1. Uvod

Reakcija između Srebrni sulfid (\(Ag_2S \)) i Natrijev cijanid (\(NaCN \)) ima značajne implikacije u raznim područjima, posebno u ekstrakciji srebra iz svojih ruda. Razumijevanje ove reakcije ključno je za optimizaciju industrijskih procesa i za dublje razumijevanje kemijskih ravnoteža i kinetike u složenim sustavima.

2. Načela reakcije

2.1 Kemijska jednadžba

Reakcija između srebrovog sulfida i Natrijev cijanid može se predstavljati

b sljedeća kemijska jednadžba u prisutnosti zraka:\(2Ag_2S + 8NaCN + O_2 + 2H_2O = 4Na[Ag(CN)_2] + 4NaOH + 2S\)

U ovoj reakciji srebrni sulfid reagira sa natrijev cijanid. Srebro u srebrovom sulfidu tvori složeni ion, srebro cijanid kompleksni ion \([Ag(CN)_2]^{-} \), dok je sumpor u srebrovom sulfidu oksidiran u elementarni sumpor. Kisik iz zraka sudjeluje u reakciji, djelujući kao oksidacijsko sredstvo.

2.2 Stvaranje kompleksnih iona

Srebro ima snažnu tendenciju stvaranja kompleksnih iona s cijanidnim ionima. Stvaranje \([Ag(CN)_2]^{-} \) potaknuto je visokom stabilnošću ovog složenog iona. Konstanta ravnoteže za stvaranje \([Ag(CN)_2]^{-} \) relativno je velika, što znači da je reakcija srebrovih iona s cijanidnim ionima za stvaranje ovog kompleksa vrlo povoljna. Kompleksni ion \([Ag(CN)_2]^{-}\) je topljiviji u vodi u usporedbi sa srebrovim sulfidom koji je netopljiv. Ova razlika u topljivosti ključni je čimbenik u cjelokupnom reakcijskom procesu.

2.3 Oksidacija sumpora

Sumpor u srebrovom sulfidu je u oksidacijskom stanju -2. Tijekom reakcije s natrijevim cijanidom u prisutnosti zraka dolazi do oksidacije sumpora. Oksidirajuću moć daje kisik iz zraka. Oksidacija sumpora od -2 do 0 (elementarni sumpor) važan je dio reakcijskog mehanizma. Put reakcije za oksidaciju sumpora uključuje niz koraka prijenosa elektrona, koji su usko povezani s ukupnom brzinom reakcije i stvaranjem proizvoda.

3. Uvjeti reakcije

3.1 Termodinamička razmatranja

Termodinamički, izravna reakcija srebrnog sulfida s natrijevim cijanidom bez prisutnosti oksidirajućeg sredstva kao što je zrak ima pozitivnu Gibbsovu promjenu slobodne energije (\(\Delta G>0\)). To ukazuje da reakcija nije spontana pod standardnim uvjetima. Konstanta ravnoteže (\(K\)) za reakciju \(Ag_2S + 4NaCN\rightleftharpoons 2Na[Ag(CN)_2]+Na_2S\) je relativno mala. Međutim, kada se uvede kisik, cjelokupna reakcija postaje spontana. Oksidacija sumpora pomoću kisika daje pokretačku silu za prevladavanje nespontanosti početne reakcije između srebrnog sulfida i natrijevog cijanida.

3.2 Zahtjevi za koncentraciju

Za učinkovito odvijanje reakcije potrebna je dovoljna koncentracija natrijeva cijanida. Budući da je srebrni sulfid netopljiv u vodi, potrebna je visoka koncentracija cijanidnih iona za kompleksiranje s ionima srebra koji se polako oslobađaju iz srebrnog sulfida. Izračuni su pokazali da je za \(0.1 mol\) \(Ag_2S\) da se otopi u \(1L\) otopine \(NaCN\) minimalna potrebna koncentracija \(NaCN\) približno \(12.97mol/L\). Ova visoka koncentracija je potrebna zbog niske topljivosti srebrnog sulfida i potrebe da se ravnoteža reakcije stvaranja kompleksa pomakne prema stvaranju iona kompleksa srebro-cijanid.

3.3 Temperatura i tlak

Iako se reakcija između srebrnog sulfida i natrijevog cijanida može dogoditi na sobnoj temperaturi, povećanje temperature općenito može ubrzati brzinu reakcije. Više temperature povećavaju kinetičku energiju molekula reaktanata, što dovodi do češćih i energetskih sudara. Međutim, ekstremno visoke temperature također mogu uzrokovati nuspojave, kao što je razgradnja cijanidnih spojeva. Tlak nema značajan izravan utjecaj na ovu reakciju u normalnim uvjetima, budući da se radi o reakciji u vodenoj otopini, a ne o reakciji plinske faze gdje bi promjene tlaka imale izraženiji učinak.

4. Kinetika reakcije

4.1 Određivanje brzine reakcije

Brzina reakcije srebrovog sulfida s natrijevim cijanidom može se odrediti eksperimentalnim metodama. Mjerenjem promjene koncentracije reaktanata (kao što je srebrov sulfid ili natrijev cijanid) ili proizvoda (kao što je srebro - cijanidni kompleksni ion ili sumpor) tijekom vremena, može se izračunati brzina reakcije. Na primjer, u šaržnom reaktorskom eksperimentu, uzorci se mogu uzimati u redovitim intervalima, a koncentracija iona kompleksa srebro-cijanid u otopini može se mjeriti pomoću analitičkih tehnika kao što je spektrofotometrija ili ionsko selektivne elektrode. Brzina stvaranja iona kompleksa srebro - cijanid zatim se koristi za izračunavanje ukupne brzine reakcije.

4.2 Stopa - određivanje koraka

Mehanizam reakcije cijanizacije srebrovog sulfida je složen i uključuje više koraka. Korak koji određuje brzinu vjerojatno je najsporiji korak u slijedu reakcije. Jedan od ključnih koraka je otapanje srebrnog sulfida, što uključuje oslobađanje iona srebra i iona sumpora. Kompleksiranje iona srebra s cijanidnim ionima je relativno brzo u usporedbi s otapanjem srebrnog sulfida. Oksidacija sumpora kisikom također igra važnu ulogu u ukupnoj brzini reakcije. Ako je opskrba kisikom ograničena, to može postati faktor koji određuje brzinu. Osim toga, difuzija molekula reaktanata (kao što su ioni cijanida i kisik) na površinu čestica srebrnog sulfida također može utjecati na brzinu reakcije, posebno u slučajevima kada je veličina čestica srebrnog sulfida velika.

4.3 Matematičko modeliranje

Razvijeni su matematički modeli za opisivanje kinetike reakcije cijanizacije srebrovog sulfida. Jedan često korišteni model je model smanjivanja - jezgre. Ovaj model pretpostavlja da se reakcija odvija na površini čvrste čestice srebrnog sulfida, a kako reakcija napreduje, jezgra neizreagiranog srebrnog sulfida se skuplja. Model uzima u obzir čimbenike kao što su difuzija reaktanata kroz sloj proizvoda (sumpor i drugi produkti reakcije koji se mogu formirati na površini čestice srebrnog sulfida), brzina kemijske reakcije na površini i ravnoteža kompleksiranja u fazi otopine. Korištenjem ovog modela mogu se napraviti predviđanja o brzini reakcije pod različitim uvjetima, kao što su različite koncentracije natrijeva cijanida i kisika, veličina čestica srebrnog sulfida i temperatura. Općenito je utvrđeno da se eksperimentalni rezultati dobro slažu s predviđanjima takvih matematičkih modela.

5. Prijave

5.1 Ekstrakcija srebra iz ruda

Reakcija između srebrnog sulfida i natrijevog cijanida naširoko se koristi u rudarskoj industriji za ekstrakciju srebra iz sulfidnih ruda. U tipičnom procesu cijanizacije, zdrobljena ruda koja sadrži srebro tretira se razrijeđenom otopinom natrijevog cijanida. Srebrni sulfid u rudi reagira s natrijevim cijanidom i stvara topljivi kompleks srebro - cijanid. Nakon reakcije, otopina koja sadrži kompleks srebro - cijanid se odvaja od krutog ostatka. Srebro se zatim može dobiti iz otopine različitim metodama, kao što je redukcija s odgovarajućim redukcijskim sredstvom (npr. cinkovom prašinom). Ovaj je proces vrlo učinkovit i jedna je od najčešće korištenih metoda za velike razmjere Vađenje srebra.

5.2 Razmatranja okoliša

Međutim, korištenje natrijevog cijanida u procesu ekstrakcije srebra izaziva zabrinutost za okoliš. Cijanid je vrlo otrovna tvar, a svako istjecanje ili nepropisno odlaganje otopina koje sadrže cijanid može imati ozbiljne utjecaje na okoliš. Stoga su na snazi ​​strogi propisi o zaštiti okoliša kako bi se osiguralo sigurno rukovanje i odlaganje cijanida u rudarskoj industriji. Mnoge rudarske tvrtke također razvijaju alternativne metode za smanjenje upotrebe cijanida ili za učinkovitiju obradu otpada koji sadrži cijanid. Unatoč ovim izazovima, reakcija između srebrnog sulfida i natrijevog cijanida ostaje važan proces u rudarskoj industriji srebra zbog svoje visoke učinkovitosti u ekstrakciji srebra.

6. Zaključak

Reakcija između srebrovog sulfida i natrijevog cijanida složen je kemijski proces sa značajnom primjenom u ekstrakciji srebra. Razumijevanje načela reakcije, uvjeta, kinetike i primjene bitno je za optimizaciju industrijskih procesa i za rješavanje ekoloških problema povezanih s upotrebom cijanida. Daljnja istraživanja u ovom području mogu se usredotočiti na razvoj učinkovitijih uvjeta reakcije, poboljšanje selektivnosti reakcije i pronalaženje alternativnih metoda za zamjenu ili smanjenje upotrebe cijanida u ekstrakciji srebra.