Istraživanje o reakciji između srebrnog sulfida i natrijum cijanida

1. Uvod

Reakcija između Srebrni sulfid (\(Ag_2S \)) i Natrijum cijanid (\(NaCN \)) ima značajne implikacije u raznim poljima, posebno u vađenju srebra iz njegovih ruda. Razumijevanje ove reakcije je ključno za optimizaciju industrijskih procesa i za dublje razumijevanje hemijskih ravnoteža i kinetike u složenim sistemima.

2. Principi reakcije

2.1 Hemijska jednačina

Reakcija između srebrnog sulfida i Sodium Cyanide mogu biti predstavljeni

b sledeća hemijska jednačina u prisustvu vazduha:\(2Ag_2S + 8NaCN + O_2 + 2H_2O = 4Na[Ag(CN)_2] + 4NaOH + 2S\)

U ovoj reakciji srebrni sulfid reaguje sa natrijum cijanid. Srebro u srebrnom sulfidu formira kompleksni jon, srebro cijanid kompleksni jon \([Ag(CN)_2]^{-} \), dok se sumpor u srebrnom sulfidu oksidira u elementarni sumpor. Kiseonik u vazduhu učestvuje u reakciji, delujući kao oksidaciono sredstvo.

2.2 Formiranje kompleksnih jona

Srebro ima jaku tendenciju da formira kompleksne jone sa jonima cijanida. Formiranje \([Ag(CN)_2]^{-} \) je vođeno visokom stabilnošću ovog kompleksnog jona. Konstanta ravnoteže za formiranje \([Ag(CN)_2]^{-} \) je relativno velika, što znači da je reakcija jona srebra sa jonima cijanida za formiranje ovog kompleksa veoma povoljna. Kompleksni jon \([Ag(CN)_2]^{-}\) je rastvorljiviji u vodi u poređenju sa srebrnim sulfidom, koji je nerastvorljiv. Ova razlika u rastvorljivosti je ključni faktor u celokupnom procesu reakcije.

2.3 Oksidacija sumpora

Sumpor u srebrnom sulfidu je u -2 oksidacionom stanju. Tokom reakcije sa natrijum cijanidom u prisustvu vazduha, sumpor se oksidira. Kiseonik iz vazduha daje oksidacionu moć. Oksidacija sumpora od -2 do 0 (elementarni sumpor) važan je dio reakcionog mehanizma. Reakcioni put za oksidaciju sumpora uključuje niz koraka prijenosa elektrona, koji su usko povezani sa ukupnom brzinom reakcije i formiranjem proizvoda.

3. Uslovi reakcije

3.1 Termodinamička razmatranja

Termodinamički, direktna reakcija srebrnog sulfida sa natrijum cijanidom bez prisustva oksidacionog agensa kao što je vazduh ima pozitivnu promenu Gibsove slobodne energije (\(\Delta G>0\)). Ovo ukazuje da reakcija nije spontana u standardnim uslovima. Konstanta ravnoteže (\(K\)) za reakciju \(Ag_2S + 4NaCN\rightleftharpoons 2Na[Ag(CN)_2]+Na_2S\) je relativno mala. Međutim, kada se uvede kiseonik, ukupna reakcija postaje spontana. Oksidacija sumpora kiseonikom daje pokretačku snagu za prevazilaženje nespontanosti početne reakcije između srebrnog sulfida i natrijum cijanida.

3.2 Zahtjevi za koncentraciju

Da bi se reakcija odvijala efikasno, potrebna je dovoljna koncentracija natrijum cijanida. Budući da je srebro sulfid nerastvorljiv u vodi, potrebna je visoka koncentracija cijanidnih jona da se kompleksiraju sa srebrnim ionima koji se polako oslobađaju iz srebrnog sulfida. Proračuni su pokazali da da bi se \(0.1mol\) \(Ag_2S\) otopio u \(1L\) otopine \(NaCN\), minimalna potrebna koncentracija \(NaCN\) iznosi približno \(12.97mol/L\). Ovaj zahtjev za visokom koncentracijom nastaje zbog niske rastvorljivosti srebrnog sulfida i potrebe da se ravnoteža reakcije formiranja kompleksa pomjeri prema formiranju jona kompleksa srebro-cijanid.

3.3 Temperatura i pritisak

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 reaktanta, što dovodi do češćih i energičnijih sudara. Međutim, ekstremno visoke temperature mogu uzrokovati i nuspojave, kao što je razgradnja jedinjenja cijanida. Pritisak nema značajan direktan uticaj na ovu reakciju u normalnim uslovima, jer se radi o reakciji u vodenom rastvoru, a ne o reakciji u gasnoj fazi gde bi promene pritiska imale izraženiji efekat.

4. Kinetika reakcije

4.1 Određivanje brzine reakcije

Brzina reakcije srebrnog sulfida sa natrijum cijanidom može se odrediti eksperimentalnim metodama. Mjerenjem promjene koncentracije reaktanata (kao što su srebrni sulfid ili natrijum cijanid) ili proizvoda (kao što je jon kompleksa srebro-cijanid ili sumpor) tokom vremena, može se izračunati brzina reakcije. Na primjer, u eksperimentu šaržnog reaktora, uzorci se mogu uzimati u pravilnim intervalima, a koncentracija jona kompleksa srebro-cijanid u otopini može se mjeriti korištenjem analitičkih tehnika kao što su spektrofotometrija ili ionsko selektivne elektrode. Brzina formiranja jona kompleksa srebro-cijanid se zatim koristi za izračunavanje ukupne brzine reakcije.

4.2 Stopa - Određivanje koraka

Mehanizam reakcije cijanizacije srebrnog sulfida je složen i uključuje više koraka. Korak koji određuje brzinu je vjerovatno najsporiji korak u sekvenci reakcije. Jedan od ključnih koraka je otapanje srebrnog sulfida, što uključuje oslobađanje iona srebra i iona sumpora. Kompleksiranje jona srebra sa jonima cijanida je relativno brzo u poređenju sa 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 joni 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 srebrnog sulfida. Jedan od najčešće korištenih modela je model koji se skuplja sa jezgrom. Ovaj model pretpostavlja da se reakcija odvija na površini čvrste čestice srebrnog sulfida, a kako se reakcija odvija, jezgro neizreagiranog srebrnog sulfida se skuplja. Model uzima u obzir faktore kao što su difuzija reaktanata kroz sloj proizvoda (sumpor i drugi produkti reakcije koji se mogu formirati na površini čestice srebrnog sulfida), brzina hemijske reakcije na površini i ravnoteža kompleksiranja u fazi rastvora. Koristeći ovaj model, mogu se napraviti predviđanja o brzini reakcije pod različitim uvjetima, kao što su različite koncentracije natrijum cijanida i kisika, veličina čestica srebrnog sulfida i temperatura. Općenito je utvrđeno da se eksperimentalni rezultati dobro slažu s predviđanjima takvih matematičkih modela.

5. Aplikacije

5.1 Ekstrakcija srebra iz ruda

Reakcija između srebrnog sulfida i natrijevog cijanida se široko koristi u rudarskoj industriji za ekstrakciju srebra iz sulfidnih ruda. U tipičnom procesu cijanidacije, drobljena ruda koja sadrži srebro se tretira razblaženim rastvorom natrijum cijanida. Srebrni sulfid u rudi reaguje sa natrijum cijanidom da bi se formirao rastvorljivi kompleks srebro-cijanid. Nakon reakcije, rastvor koji sadrži kompleks srebro-cijanid se odvaja od čvrstog ostatka. Srebro se zatim može izvući iz otopine raznim metodama, kao što je redukcija odgovarajućim redukcijskim sredstvom (npr. cink prah). Ovaj proces je veoma efikasan i jedna je od najčešće korišćenih metoda za velike razmere Ekstrakcija srebra.

5.2 Razmatranja životne sredine

Međutim, upotreba natrijevog cijanida u procesu ekstrakcije srebra izaziva zabrinutost za okoliš. Cijanid je visoko toksična supstanca i svako curenje ili nepravilno odlaganje rastvora koji sadrže cijanid može imati ozbiljne uticaje na životnu sredinu. Stoga su strogi ekološki propisi na snazi ​​kako bi se osiguralo sigurno rukovanje i odlaganje cijanida u rudarskoj industriji. Mnoge rudarske kompanije takođe razvijaju alternativne metode za smanjenje upotrebe cijanida ili za efikasniju obradu otpada koji sadrži cijanid. Uprkos ovim izazovima, reakcija između srebrnog sulfida i natrijum cijanida ostaje važan proces u industriji iskopavanja srebra zbog njegove visoke efikasnosti u ekstrakciji srebra.

6. zaključak

Reakcija između srebrnog sulfida i natrijum cijanida je složen hemijski proces sa značajnom primenom u ekstrakciji srebra. Razumijevanje principa reakcije, uslova, kinetike i primjene je od suštinskog značaja za optimizaciju industrijskih procesa i za rješavanje ekoloških problema povezanih s upotrebom cijanida. Dalja istraživanja u ovoj oblasti mogu se fokusirati na razvoj efikasnijih uslova reakcije, poboljšanje selektivnosti reakcije i pronalaženje alternativnih metoda za zamjenu ili smanjenje upotrebe cijanida u ekstrakciji srebra.