8.17 Особенности гетерогенных процессов
Гетерогенными называются процессы, происходящие на поверхности раздела соприкасающихся фаз. Сюда относятся такие химические процессы, как горение топлива, окисление металлов кислородом воздуха, реакции, протекающие на поверхности катализаторов, а также многие физические процессы: растворение газов и твердых тел в жидкостях, кристаллизация чистых жидкостей и растворов и др.
Скорость гетерогенных процессов зависит от размеров и состояния поверхности раздела фаз, а также от скорости их относительного движения. Гетерогенные процессы многостадийны. Кроме основного процесса, протекающего на поверхности раздела фаз, обязательны стадии подвода к этой поверхности исходных веществ и отвода от нее продуктов реакции. Ввиду того, что эти стадии протекают последовательно, скорость суммарного процесса определяется наиболее медленной стадией. Если определяющей стадией является химическая реакция на поверхности раздела фаз, то гетерогенный процесс описывается законами химической кинетики и, следовательно, протекает в кинетической области. Если, как это чаще бывает, наиболее медленно совершается подвод и отвод соответствующих веществ, то гетерогенный процесс описывается законами диффузии, т. е. он протекает в диффузионной области. Температура сильнее влияет на скорость химических процессов, чем на диффузию, поэтому гетерогенная химическая реакция при повышении температуры может перейти из кинетической области в диффузионную.
Диффузия имеет большое значение в гетерогенных процессах, поскольку за счет ее происходит изменение концентрации в приповерхностном слое, влияющее на кинетику процесса. Диффузия описывается законами Фика.
Первый
закон Фика
утверждает,
что масса вещества dm,
переносимого
путем диффузии в направлении оси х
через
перпендикулярную этому направлению
площадку, пропорциональна площади S
этой площадки, времени dt
и градиенту
концентрации
вдоль выбранного направления:
dm
= -DS
dt
;
v
=
= -DS
где
D
- коэффициент диффузии;
- скорость
диффузии. Знак минус в уравнении указывает
на то, что процесс диффузии направлен
в сторону понижения концентрации.
Коэффициент диффузии зависит от температуры; для жидких и газовых сред он увеличивается с ростом температуры на 10° примерно на 20%. Характер зависимости D от температуры приближенно описывается уравнением D = Ве-Е/кт, аналогичным уравнению Аррениуса. Однако величина энергии активации диффузионного процесса обычно не превышает 5-20 кДж/моль, т. е. она значительно меньше энергии активации большинства химических реакций. Поэтому температура намного слабее влияет на скорость диффузионных процессов, чем химических.
Растворение твердых тел в жидкостях
А. Н. Щукаревым была экспериментально установлена следующая формула скорости растворения твердого тела в жидкости:
v = kS(cнас – с),
где S - величина поверхности соприкосновения твердого тела с жидкостью;
с - концентрация растворяющегося вещества в глубине жидкости; снас - концентрация насыщенного раствора; k - некоторый коэффициент, зависящий от температуры, природы тел и условий растворения. Уравнение показывает, что скорость растворения твердого тела тем больше, чем больше величина поверхности соприкосновения фаз и разность между достигнутой в данный момент концентрацией и максимально возможной в рассматриваемых условиях.