Кинетика гетерогенных необратимых реакций. В технике и металлургическом производстве очень часто встречаются гетерогенные процессы

В технике и металлургическом производстве очень часто встречаются гетерогенные процессы. Например, горение твердого и жидкого топлива

С _(т) + О_{2 (г)} → СО_{2 (г)},

окисление металлов

2Zn _(т) + O_{2 (г)} → 2ZnO _(т),

растворение металлов в кислотах

2Al _(т) + 6HCl _(р-р) → 2AlCl_{3 (р-р)} + 3H_{2 (г)},

кристаллизация жидкостей (затвердевание стальных слитков), процессы растворения твердых тел в жидкостях и т.д.

Отличительными особенностями всех гетерогенных процессов являются:

1. Сложность и многостадийность

2. Их протекание зависит от размера и состояния поверхности раздела фаз, от скорости относительного движения фаз

3. В кинетическом уравнении чистые твердые вещества не учитываются. Для гетерогенной реакции, записанной в общем виде

ν _А А _(т) + ν _В В _(р-р) → ν _D D + ν _Е Е,

кинетическое уравнение имеет следующий вид

r = k ·.

К основным стадиям гетерогенных процессов относятся:

1) Диффузия регентов к поверхности раздела фаз (реакционной зоне)

2) Адсорбция одних реагентов на поверхности других, т.е. концентрирование вещества на поверхности раздела фаз

3) Непосредственно химическая реакция

4) Десорбция продуктов реакции с поверхности раздела фаз

5) Диффузия продуктов реакции

Чаще всего лимитирующими стадиями являются первая, третья и пятая стадии. Поэтому скорость последовательной гетерогенной реакции в целом определяется скоростями этих стадий:

r _{гетер.р-ции} = r _диф + r _{хим. р-ции}.

Если r _диф >> r _{хим. р-ции}, то говорят, что реакция протекает в кинетическом режиме и ее скорость описывается уравнением химической кинетики.

Если r _диф << r _{хим. р-ции}, то процесс протекает в диффузионном режиме и ее скорость определяется законами диффузии.

Так как скорости процессов во всех стадиях пропорциональны величине поверхности, то скорости гетерогенных реакций зависят от отношения между величинами поверхности раздела фаз и объема. Согласно первому закону Фика, количество вещества d n, переносимого путем диффузии в направлении некоторой оси x от большей концентрации к меньшей через перпендикулярную этому направлению площадку S за времяd τ, пропорциоанально этой площадке, времени и градиенту концентрации вдоль оси x ()

d n ~ − S ·· d τ (< 0, поэтому в формуле знак «−»)

Коэффициентом пропорциональности является коэффициент диффузии D, зависящий от температуры, природы диффундирующего вещества и среды. Тогда математического выражение первого закона Фика имеет вид

d n = − D · S ·· d τ.

Скорость же гетерогенной реакции, протекающей в диффузионной области, определяется следующим выражением

r = ,

и может быть увеличена путем перемешивания реагентов и движением потоков (ламинарный,− поток параллельной струи в трубах малого диаметра; турбулентный,− хаотичное пульсационное движение масс).

Если r _диф = r _{хим. р-ции}, то говорят, что процесс протекает в переходной области.

Дата добавления: 2013-12-13