Кинетика гетерогенных реакций.
Гетерогенные процессы протекают на границе двух фаз. Примерами могут служить процессы растворения, кристаллизации, испарения, конденсации, химические реакции на границе двух фаз, электрохимические процессы на границе электрод — раствор электролита и гетерогенный катализ. Гетерогенные процессы протекают на границе между разными фазами: твердая — твердая, твердая — жидкая, твердая — газообразная, жидкая — жидкая, жидкая — газообразная. Пусть твердое вещество А (т) реагирует на поверхности с веществом в растворе В (р-р) с образованием продукта АВ (р-р) в растворе:А (т) + В (р-р) -»АВ (р-р) К такого типа реакциям относится, например, реакция между твердым оксидом магния и раствором соляной кислоты:MgO (т)+2НС1 (р-р) -»MgCl2 (р-р)+Н2О
Эта реакция протекает на границе фаз MgO (т) — раствор. Гетерогенный процесс состоит из нескольких стадий: доставка реагента (НС!) из раствора к поверхности твердого тела, собственно химическая реакция на поверхности твердого тела и отвод продуктов реакции от поверхности в глубь раствора. Могут быть и другие стадии. Например, дополнительное химическое превращение исходного вещества в растворе: ассоциация или диссоциация молекул, изменение состава компонента и т. п.; или дополнительные химические превращения продукта реакции у поверхности твердого тела: комплексообразование, рекомбинация, димеризация, протонизация и т. п. Каждая из этих стадий может быть лимитирующей, т. е. иметь самую малую константу скорости и оказывать наибольшее сопротивление процессу. Рассмотрим гетерогенный процесс, лимитируемый стадией доставки вещества к реакционной границе фаз. Доставка вещества к границе между фазами может осуществляться за счет конвекции и диффузии. Конвекцией называется перемещение всей среды в целом. Конвекция раствора на границе с твердой поверхностью может происходить из-за разной плотности раствора 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). Диффузией называется перемещение молекул вещества в неподвижной среде под влиянием градиента концентрации. Скорость диффузии — это количество вещества, проходящее через данное поперечное сечение в единицу времени. Различают стационарную и нестационарную диффузию. Для нестационарной линейной полубесконечной диффузии, когда вещество диффундирует, например, вдоль длинной цилиндрической трубки, а реагирующей твердой поверхностью является дно этого цилиндра, начальные и конечные условия будут следующие. В начальный момент времени, когда реакция на поверхности еще не началась, концентрация вещества вблизи поверхности с
равна его концентрации с0 в объеме раствора: f=0 и с'=с0 (начальное условие). Если реакция на поверхности протекает очень быстро, то в любой момент времени после начала процесса концентрация у поверхности практически равна нулю: t>0 и с'=0 (первое граничное условие). Кроме того, при полубесконечной диффузиии концентрация в глубине раствора должна оставаться постоянной: t>0; х=оо и с(х, f) = c0 (второе граничное условие). Гетерогенные процессы при стационарной конвективной диффузии осуществляются в перемешиваемых растворах. Согласно законам гидродинамики поток жидкости вблизи поверхности твердого тела тормозится, причем слой жидкости молекулярных размеров, непосредственно прилегающий к поверхности, прочно удерживается на ней и не перемещается относительно нее (рис. XIII.2, в). Если раствор перемещается относительно реагирующей поверхности твердого тела, то реагент доставляется из раствора к ней за счет конвекции и диффузии (конвективной диффузии).
Смотрите также
Особенности изучения химических элементов в средней школе (на
примере водорода)
В современном мире порой возникают ситуации, которые представляют
реальную опасность для человечества. Чаще всего люди сами способствуют их
возникновению либо по недомыслию, либо из - за недостатка ...
Нитрование ароматических углеводородов. Производство нитро-бензола
Нитрования –
один из важнейших процессов в химической промышленности. Продукты, получаемые
за счёт нитрования, являются полуфабрикатами для производства многих товаров
различных ...
Третья группа периодической системы
Атомы элементов данной группы содержат во внешнем слое
максимально по три электрона. Поэтому тенденция к дальнейшему присоединению
электронов (с пополнением внешнего слоя до октета) не может быть д ...