Кинетика гетерогенных реакций. Законы Фика
Влияние площади реакционной поверхности на скорость реакции. Исследование зависимости скорости гетерогенных реакций от концентрации реагентов в растворе. Перенос вещества в диффузионном слое. Изменение состояния поверхности, образование новой фазы.
| Рубрика | Химия |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.09.2013 |
| Размер файла | 14,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кинетика гетерогенных реакций. Законы Фика
Гетерогенные реакции идут на поверхности раздела фаз, которая и служит реакционным пространством (поверхностью). Поэтому 1-ой особенностью кинетики этих реакций является влияние площади реакционной поверхности на скорость реакции. Если суммарная площадь поверхности равна S, то общая скорость гетерогенной реакции 1-ого порядка описывается уравнением:
= kсS, (1)
где с - концентрация реагента (газообразного или жидкого).
Единицы измерения скорости и константы скорости гетерогенной реакции отличаются от единиц измерения соответствующих величин гомогенной реакции. Единица измерения скорости гетерогенной реакции - [мольс1], константы скорости реакции 1-ого порядка - [мс1]. Если в реакции непосредственно участвует твердое вещество, то в кинетическое уравнение не входит его концентрация, т.к. она постоянна. Роль твердого тела в кинетике отражается путем введения площади его поверхности, на которой идет реакция, в кинетическое уравнение. Например, кинетика гетерогенной реакции
СаО(к) + СО2 СаСО3(к)
описывается уравнением:
(2)
Иногда важно знать удельную скорость реакции, отнесенную к единице площади реакционной поверхности, которая для реакции первого порядка описывается уравнением:
S = /S = kс. (3)
В единицу измерения удельной скорости реакции входит единица измерения площади, например [мольс1м 2].
Скорость некоторых гетерогенных реакций не зависит от концентрации реагентов в растворе. Такие реакции имеют нулевой порядок. Можно легко показать, что в этом случае концентрация и скорость реакции линейно уменьшаются во времени:
с = сo - kt и = o - kt (4)
Однако, большинство реакций имеет порядок, отличающийся от нулевого, нередко дробный порядок.
В ходе реакции уменьшается концентрация реагента в зоне реакции сS по сравнению с его концентрацией в объеме сV из-за расхода реагента. Поэтому в уравнение скорости реакции входит концентрация реагента в зоне реакции:
= kсSS, или S = kсS (5)
Поэтому скорость гетерогенной химической реакции зависит от скорости подвода реагента в зону химической реакции, что является 2-ой особенностью этих реакций.
Наибольшее изменение концентрации реагента происходит в тонком слое около реакционной поверхности, называемом диффузионным слоем. Перенос вещества в этом слое осуществляется в основном за счет диффузии. Скорость диффузии в этом слое D в наиболее простом виде описывается уравнением:
D = D(сV - сS)S/, (6)
где D - коэффициент диффузии [м2с1], - толщина диффузионного слоя.
Коэффициент диффузии связан с диффузионным потоком j первым законом Фика:
j = DS dс/dl (7)
где dс/dl - градиент концентрации (в плоскости нормали к поверхности).
Коэффициент диффузии в основном зависит от температуры, а также от природы реагентов и среды. Толщина диффузионного слоя уменьшается при перемешивании, соответственно перемешивание увеличивает скорость подвода реагентов. Если скорость диффузии ниже скорости реакции D << , то процесс лимитируется диффузией. Если скорость диффузии достаточно высока D >> , то говорят о кинетическом контроле, т.е. процесс лимитируется собственно химической реакцией. Если D и соизмеримы, то говорят о смешанном контроле. Реальная скорость реакции определяется с учетом уравнений (5). При стационарном состоянии D = .
Кинетика гетерогенных химических реакций существенно осложняется, если в ходе реакции изменяется состояние поверхности, например, образуется новая фаза:
Ni + Ѕ O2 NiO
Скорость обратимых гетерогенных, как и гомогенных, реакций зависит от скоростей прямой 1 и обратной -1 реакций:
= 1 -1. (8)
Константа равновесия гетерогенной химической реакции также равна отношению констант скоростей прямых и обратных реакций:
КС = k1/ k-1. (9)
Количественной характеристикой реакций, в которых участвуют только твердые фазы (твердофазных реакций), служит степень превращения :
= Ni/Ni,исх, (10)
где Ni и Ni,исх - число молей i-го реагента соответственно к моменту времени t и в исходной системе.
Скорость твердофазной реакции определяется уравнением:
= d/dt (11)
Она в основном определяется скоростью диффузии.
Итак, общая скорость необратимой гетерогенной химической реакции зависит, а удельная скорость реакции не зависит от площади реакционной поверхности. На скорость гетерогенной химической реакции влияют процессы переноса реагентов в зону реакции. Скорость обратимой реакции определяется разностью скоростей прямой и обратных реакций.
Таким образом, поскольку в гетерогенной реакции участвуют вещества, находящиеся в разных фазах, то одновременно с собственно химическими реакциями протекают и процессы, связанные с переходом вещества из одной фазы в другую. Такие процессы протекают обычно через стадию адсорбции на поверхности раздела фаз с последующей десорбцией в объем другой фазы или растворением в ней. Часто бывает значительной роль диффузионных стадий, обеспечивающих обмен частицами между приповерхностными слоями и остальным объемом фазы. При кинетическом описании гетерогенной реакции приходится учитывать влияние стадий адсорбции, десорбции, диффузии, растворения, кристаллизации.
гетерогенный реагент диффузионный
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса и его применение. Теория активных столкновений реагирующих молекул. Основы теории переходного состояния. Кинетика гетерогенных реакций. Особенности гетерогенных процессов. Гомогенный и гетерогенный катализ.
лекция [182,9 K], добавлен 28.02.2009Определение содержания химической кинетики и понятие скорости реакции. Доказательство закона действующих масс и анализ факторов, влияющих на скорость химических реакций. Измерение общей энергии активации гомогенных и гетерогенных реакций, их обратимость.
презентация [100,2 K], добавлен 11.08.2013Зависимость химической реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре. Скорость химических реакций в гетерогенных системах. Влияние концентрации исходных веществ и продуктов реакции на химическое равновесие в гомогенной системе.
контрольная работа [43,3 K], добавлен 04.04.2009Скорость химической реакции как количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объема (для гомогенных) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных). Факторы, влияющие на нее.
лабораторная работа [29,8 K], добавлен 04.11.2015Понятие и расчет скорости химических реакций, ее научное и практическое значение и применение. Формулировка закона действующих масс. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Примеры реакций, протекающих в гомогенных и гетерогенных системах.
презентация [1,6 M], добавлен 30.04.2012Применение закона действия масс для реакций на поверхности. Алгоритмы вывода кинетических уравнений для линейных механизмов на основании методов теории графов. Применение теории графов в химической кинетике. Последовательность ориентированных дуг.
реферат [95,7 K], добавлен 28.01.2009Роль скорости химических реакций, образования и расходования компонентов. Кинетика химических реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации исходных веществ. Скорость расходования исходных веществ и образования продуктов. Закон действующих масс.
реферат [275,9 K], добавлен 26.10.2008Рассмотрение превращения энергии (выделение, поглощение), тепловых эффектов, скорости протекания химических гомогенных и гетерогенных реакций. Определение зависимости скорости взаимодействия веществ (молекул, ионов) от их концентрации и температуры.
реферат [26,7 K], добавлен 27.02.2010Основные понятия и законы химической кинетики. Кинетическая классификация простых гомогенных химических реакций. Способы определения порядка реакции. Влияние температуры на скорость химических реакций. Сущность процесса катализа, сферы его использования.
реферат [48,6 K], добавлен 16.11.2009Кинетические закономерности каталитического процесса, их определение истинной кинетикой реакции на активной поверхности и условиями массопереноса и теплопереноса. Определение оптимальной температуры в каждом сечении реактора идеального вытеснения.
реферат [693,0 K], добавлен 23.10.2010Понятие о химической кинетике. Взаимодействие кислорода с водородом. Механизмы химических реакций. Влияние температуры на скорость реакций. Понятие об активном комплексе. Влияние природы реагирующих веществ на скорость реакций. Закон действия масс.
реферат [237,9 K], добавлен 27.04.2016Факторы, влияющие на скорость реакции: концентрация реагирующих веществ или давление, природа реагирующих веществ, температура процесса и наличие катализатора. Пример гомогенных и гетерогенных реакций. Принцип Ле Шателье. Распределение молекул по энергии.
лекция [144,0 K], добавлен 22.04.2013Понятие и виды сложных реакций. Обратимые реакции различных порядков. Простейший случай двух параллельных необратимых реакций первого порядка. Механизм и стадии последовательных реакций. Особенности и скорость протекания цепных и сопряженных реакций.
лекция [143,1 K], добавлен 28.02.2009Виды фотохимических процессов, протекающих при фотовозбуждении молекул. Различие кинетики фотохимических и темновых реакций. Полные и локальные скорости фотохимических реакций. Кинетика флуоресценции, фосфоресценции и интеркомбинационной конверсии.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 13.10.2011Активность реагентов и константы равновесия комплексов, входящих в материальный баланс по катализатору при исследованиях кинетики реакций. Поверхности и кинетика Лэнгмюра-Хиншельвуда при адсорбции смеси молекул. Статистическое планирование эксперимента.
реферат [65,5 K], добавлен 28.01.2009Задачи химической кинетики, стадии химического процесса. Открытые и замкнутые системы, закон сохранения массы и энергии. Закон Гесса и его следствие, скорость реакций. Явление катализа, гомогенные, гетерогенные, окислительно-восстановительные реакции.
курсовая работа [95,9 K], добавлен 10.10.2010Химическая кинетика и ее значение в управлении химическими процессами. Классификация реакций по средам протекания, их отличительные черты. Скорость химических реакций, зависимость ее от температуры среды и наличия света. Принцип действия катализаторов.
реферат [152,7 K], добавлен 29.05.2009Ознакомление с понятием и предметом химической кинетики. Рассмотрение условий химической реакции. Определение скорости реакции как изменения концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Изучение общего влияния природы веществ и температуры.
презентация [923,5 K], добавлен 25.10.2014Стадии взаимодействия газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора. Соотношение скоростей химической реакции и диффузии на примере необратимой реакции. Расчет адиабатических реакторов для реакций, протекающих в кинетической области.
презентация [428,6 K], добавлен 17.03.2014Расчет количества вещества. Составление электронных формул атомов никеля и фтора. Расчет теплового эффекта реакции восстановления. Изменение скоростей реакций серы и её диоксида в зависимости от изменений их объема. Молярная и эквивалентная концентрации.
контрольная работа [80,3 K], добавлен 12.12.2009
