氰化物之所以能选择性地溶解金、银和它们的某些复合物,是由于往碱金属(或碱土金属)氰化液充气。实践中,通常使用氰化钠(或氰化钙)的充气溶液,同时加入若干碱(通常用石灰)。碱的加入是为了抑制氰化物的水解作用,以免生成氰氢酸挥发损失。
如果把溶解反应看作是电化学侵蚀过程,那么,也可以把金的溶解看作是阳极表面的金溶解进入溶液的过程(图1)。当阴极表面的氧得到电子时,阳极和阴极区间的反应为:
阳极区 Au+2CN- Au(CN)2-+e
阴极区 O2+2H2O+2e- H2O2+2OH-
进一步反应时 H2O2+2e 2OH-
在电化学腐蚀系统中,影响阴、阳极极化的最重要因素是浓差极化,它由菲克定律确定:
A1〔(O2)-(O2)i〕 (1)
A2〔(CN-)-(CN-)i〕 (2)
式中 和 -分别为CN-和O2的扩散速度,mol(分子)/s;
DCN和 -分别为氰化物和溶解的氧的扩散系数,cm2/s;
(CN-)和(O2)-分别为整体溶液中CN-和O2的浓度,mol(分子)∕mL;
(CN-)i和(O2)i-分别为界面处CN-和O2的浓度,mol(分子)∕mL;
A1和A2-分别为阴极和阳极发生反应的表面面积,cm2;
δ-能斯特界面层厚度,cm。
图1 金在氰化物溶液中溶解的图解
以金属界面处CN-和O2穿过停滞层的速度相比较,假设该界面上的化学反应速度很快的话,那么,当它们刚一到达金属表面便立即被消耗掉,也就是说:
(CN-)i=0 (O2)i=0
因而可把式(1)、(2)简化为:
A1〔O2〕
A2〔CN-〕
因为金属溶解速度是氧消耗速度的两倍,是氰化物消耗速度的二分之一,故:
金的溶解速度=2 A1〔O2〕
或 金的溶解速度= A2〔CN-〕
当上列反应式达到平衡时,
2 A1〔O2〕= A2〔CN-〕
但因为和水相相接触的金属总表面面积A=A1+A2,因而:
金的溶解速度= (3)
从此式可见,当氰化物浓度低时,和分母的第二项相比,其第一项可以忽略不计,因此,等式(3)可简化为:
金的溶解速度= (CN-)=k1(CN-)
用这式计算的值与图2的实验结果相符,即氰化物浓度低时,溶解速度仅取决于氰化物浓度。
图2 24℃时不同压力与不同NaCN浓度对银溶解速度的影响
同理,当氰化物浓度高时,和分母的第一项相比,其第二项可以忽略不计,则等式(3)可简化为:
金的溶解速度=2 〔O2〕=k2〔O2〕
用这式计算的值也与图2的实验结果相符,即氰化物浓度高时,溶解速度仅取决于氧浓度。
当 〔CN-〕=4 〔O2〕
即
此时,溶解速度达到极限值。从表1查得扩散系数的平均值为:
=2.76×10-5cm2∕s
=1.83×10-5cm2∕s
二者扩散系数的平均比值:
≈1.5
即二者极限溶解速度的摩尔平均比值为:
4 =4 ≈6
表1 扩散系数及平均值
温度∕℃ | KCN∕% | DCN∕cm2·s-1 | DO2∕cm2·s-1 |
|
18 | - | 1.72×10-5 | 2.54×10-5 | 1.48 |
25 | 0.03 | 2.01×10-5 | 3.54×10-5 | 1.76 |
27 | 0.0175 | 1.75×10-5 | 2.20×10-5 | 1.26 |
平均值 | - | 1.83×10-5 | 2.76×10-5 | 1.50 |
此时,金的溶解速度达到极限溶解速度。它与表2所示的实验值4.6~6.8是很吻合的。
表2 氰化物和氧浓度与极限溶解速度的比值
金属 | 温度∕℃ | PO2∕Pa | (O2)∕mol·L-1 | (CN-)∕mol·L-1 |
|
金 | 25 | 101325 | 1.28×10-3 | 6.0×10-3 | 4.69 |
25 | 21278 | 0.27×10-3 | 1.3×10-3 | 4.85 | |
25 | 101325 | 1.28×10-3 | 8.8×10-3 | 6.88 | |
银 | 24 | 757911 | 9.55×10-3 | 56.0×10-3 | 5.85 |
24 | 344505 | 4.35×10-3 | 25.0×10-3 | 5.75 |