2. Кинетика гетерогенных процессов. Общая характеристика, особенности, скорость гетерогенного процесса

Химические реакции, протекающие на границе раздела двух фаз, называют гетерогенными. Гетерогенные процессы широко распространены в природе и часто используются в практике. Примерами могут служить процессы растворения, кристаллизации, испарения, конденсации, химические реакции на границе раздела двух фаз, гетерогенный катализ и др.

Трудность изучения гетерогенных реакций обусловлена природой твердых тел (для одной и той же системы скорость процесса зависит от структуры твердого вещества, наличия дефектов в кристаллической решетке и содержания различных примесей).

В гетерогенных реакциях, как правило можно выделить по меньшей мере три стадии: перенос реагирующих веществ к поверхности раздела фаз, т.е. в реакционную зону; собственно химическое взаимодействие; перенос продуктов реакции из реакционной зоны. Могут быть и другие стадии, например адсорбция и десорбция; дополнительные химические превращения продукта реакции у поверхности твердого тела; комплексообразование, димеризация, протонирование.

Скорость всего процесса определяется лимитирующей (самой медленной) стадией. Если скорость собственно химического взаимодействия значительно больше скорости подвода реагентов к реакционной зоне и отвода продуктов от нее, то общая скорость процесса будет соответствовать скорости переноса реагентов и продуктов, и для самопроизвольных термически инициируемых реакций она будет определяться процессами диффузии веществ. В этом случае говорят.что реакция протекает в диффузионном режиме или находится в диффузионной области.

Перенос вещества к границе между фазами может осуществляться за счет конвекции и диффузии. Конвекцией называют перемещение всей среды в целом. Конвекция раствора на границе с твердой поверхностью может происходить из-за разной плотности в объеме раствора и вблизи поверхности твердого тела, что вызывается неодинаковой концентрацией или температурой раствора. Конвекцию можно создавать также перемещением твердого тела в растворе или раствора вблизи поверхности твердого тела (вращение твердого тела, перемешивание раствора).

Когда реакция совершается между веществами, находящимися в разных фазах гетерогенной системы, основной постулат химической кинетики становится неприменимым. В гетерогенных реакциях роль промежуточных продуктов обычно играют молекулы, связанные химическими силами с поверхностью раздела фаз (химически адсорбированные на поверхности). Во всяком гетерогенном химическом процессе можно выделить следующие стадии:

1. Диффузия реагентов к реакционной зоне, находящейся на поверхности раздела фаз.

2. Активированная адсорбция частиц реагентов на поверхности.

3. Химическое превращение адсорбированных частиц.

4. Десорбция образовавшихся продуктов реакции.

5. Диффузия продуктов реакции из реакционной зоны.

Стадии 1 и 5 называются диффузионными, стадии 2, 3 и 4 – кинетическими. Универсального выражения для скорости гетерогенных химических реакций не существует, поскольку каждая из выделенных стадий может являться лимитирующей. Как правило, при низких температурах скорость гетерогенной реакции определяют кинетические стадии (т.н. кинетическая область гетерогенного процесса; скорость реакции в этом случае сильно зависит от температуры и величины площади поверхности раздела фаз; порядок реакции при этом может быть любым). При высоких температурах скорость процесса будет определяться скоростью диффузии (диффузионная область гетерогенной реакции, характеризующаяся, как правило, первым порядком реакции и слабой зависимостью скорости процесса от температуры и площади поверхности раздела фаз).

3. Формальная кинетика. Основные понятия, их применение к гетерогенным химическим процессам

Формальная кинетика – направлениехимической кинетики, позволившее разработать методику расчета скорости химических реакций и динамику изменения концентрации реагирующих веществ с учетом специфики химического взаимодействия.

Терминформальная кинетика связанстем, чтоскоростьхимической

Реакциипредставляетсятолькокакфункцияконцентрацииреактантов. Закономерности, полученныевформальнойкинетике, позволяют:

- определитькинетическиепараметрыхимическойреакции(константу

скорости, периодполупревращения, изменениеконцентрацииреактантов);

- распространитьполученныезакономерностинасложныемногостадийныехимическиереакции, характерныедлятехнологическихпроцессов;

- классифицироватьхимическиереакции.

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Пусть протекает реакция, уравнение которой в общем, виде можно записать следующим образом:

lL + mM + .....= qQ + rR +.... (1.1)

где l; m и q; r - стехиометрические коэффициенты исходных и конечных веществ; L; M и Q; R - исходные и конечные вещества.

Под скоростью химической реакции подразумевается какое количество молекул данного вида реагирует в единицу времени.

Скорости различных реакций можно сравнивать, если относить скорость реакции к единице объема. Поэтому скорость реакции определяют числом молекул или молей данного вещества, реагирующих в единицу времени в единице объема.

Для определения скорости химической реакции достаточно знать изменение во времени количество только одного из веществ - участников реакции (исходного или конечного), так как изменение количества всех остальных веществ можно найти на основании стехиометрии из уравнения (1.1).

По скорости, гетерогенные реакции можно разделить на следующие категории:

1. Реакции с постоянной скоростью. Это имеет место лишь в особом случае гетерогенной реакции между твердым веществом и жидкостью при условии, что а) концентрация реагента постоянна; б) поверхность твердого вещества не изменяется в течение процесса.

2. Реакции, скорость которых уменьшается со временем. Это может происходить за счет: а) снижения концентрации одного из реагентов; б) уменьшения площади поверхности одного из реагентов; в) образования защитной пленки продуктов реакции на поверхности твердого реагента.

3. Реакции со скоростью, увеличивающейся с течением времени. Такие процессы называют автокаталитическими; продукт реакции в последствие реагирует с исходным веществом.

Скорости изменяются от бесконечно малых до бесконечно больших. Поэтому очевидно, что необходимо знание факторов, воздействующих на протекание реакции до конца за минимальное время. Следует учитывать следующие четыре параметра:

1. Влияние концентрации реагентов. Если одним из реагентов является газ, то необходимо знать влияние давления, чтобы эффективно использовать сосуды высокого давления.

2. Влияние температуры. Некоторые гетерогенные реакции значительно ускоряются с повышением температуры.

3. Влияние перемешивания или скорости потока газа.

4. Влияние размеров частиц.

Еще в самом начале исследований химической кинетики было сделано предположение, что реагируют только те молекулы, которые сталкиваются. Как известно, число столкновений прямо пропорционально числу молекул, поэтому скорость реакции должна быть пропорциональна концентрациям реагирующих веществ, т.е. в общем, случае

(1.2)

где - скорость химической реакции; k₁ - константа скорости химической реакции ;c_Lи c_M - концентрации реагирующих веществ; l и m - стехиометрические коэффициенты веществ.

Полученное выражение иногда называют основным постулатом химической кинетики.

Физический смысл k₁ можно найти, если принять, что все концентрации равны единице, т.е. c_L= c_M = ...... = 1.

При этом условии

 = k₁ (1.3)

Таким образом, константа скорости химической реакции есть скорость этой реакции при условии, что концентрации реагирующих веществ постоянны и равны единице. Константу скорости иногда называютудельной скоростью химической реакции.

Из выражения (2) следует, что скорость реакции является функцией времени, так как с течением времени изменяются концентрации реагирующих веществ.