1.2 Гомогенные и гетерогенные системы

При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные реакции), и реакции, протекающие в гетерогенной системе (гетерогенные реакции).

Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной-система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Гетерофазным называться процесс, в котором входные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют более чем одну фазу.

Понятия гомо- и гетерофазности совершенно независимы от понятия гомо- и гетерогенности. Так, нейтрализация кислоты щелочью валяется гомогенным гомофазным процессом, рассмотренное выше гидрирование этилена - гомофазным гетерогенным процессом. Окисление углеводорода в жидкой фазе газообразным кислородом представляет собой гомогенный гетерофазный процесс.

1.3. Гетерогенные процессы

1.3.1 Механизм гетерогенных процессов

Гетерогенный процесс– это сово­купность взаимосвязанных физико-химических явлений и химичес­ких реакций. Для количественной характеристики сложного тех­нологического процесса допустимо расчленение его на отдельные стадии и анализ каждой из них. Такой анализ позволяет, например, установить, в какой области — диффузионной или кинетической — идет процесс, и при расчете пренебречь той стадией, которая ока­зывает малое влияние, если только скорости диффузии и химических реакций не соизмеримы.

Многие гетерогенные процессы не связаны с химическими реак­циями и основаны только на физико-химических явлениях. К таким процессам можно, например, отнести испарение без изменения соста­ва, конденсацию, перегонку, растворение и экстрагирование, не сопровождающиеся химическими реакциями, кристаллизацию без гидратации и т.п. Химические гетерогенные процессы включают как одну из стадий химические реакции, которые идут в одной из фаз после перемещения туда реагентов или на поверхности раздела фаз.

Важными технологическими показателями промышленных про­цессов служат равновесный выход продукта, определяемый равновесием при данных условиях, и фактический выход продукта, определяемый равновесием и скоростью процесса. Изыскание путей и способов увеличения равновесного и фактического выхода про­дукта химических процессов является важнейшей задачей химичес­кой технологии. Определение максимального равновесного выхода продукта гетерогенных процессов и возможностей его повышения основано на анализе равновесия в данной гетерогенной системе. На гетерогенные равновесия влияют температура, давление, кон­центрации реагентов и продуктов реакции.

1.3.2 Равновесие гетерогенных процессов

Равновесие гетерогенных процессов определяется константой равновесия химических реакций, законом распределения компонен­тов между фазами и правилом фаз. Равновесие между исходными реагентами и продуктами химической реакции, происходящей в одной из фаз, определяется константой равновесия. Равновесные концентрации компонентов в соприкасающихся фазах определяются законом распределения вещества, который устанав­ливает постоянное соотношение между равновесными концентрациями вещества в двух фазах системы при определенной температуре. Постоянство соотношения не нарушается при изменении начальной концентрации компонента или общего давления в системе. На законе Распределения основаны такие промышленные процессы, как аб­сорбция газов жидкостями, десорбция газов, экстрагирование и т. п.

Равновесие фаз определяется правилом фаз. На основании правила фаз производят расчеты фазовых равновесий в различных гетерогенных системах и определяют количественный эффект изменения температуры, давления, концентрации реагентов.

Правило фаз позволяет вычислять степени свободы, которое можно изменять незави­симо друг от друга без изменения числа фаз в двух- и многофазных системах:

С = к + п - ф

Где с — число степеней свободы или вариантность системы; к — число независимых химических компонентов в системе; п — число внешних параметров, влияющих на равновесие фаз; ф — число фаз. Как правило, из внешних условий на равновесие влияют температу­ра t и давление Р; следовательно, п = 2. Если рассматривают взаимодействующую систему при постоянном давлении, то п = 1.