Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
хлора в газовой фазе; х — образующиеся моли хлорида; 5Ме — поверхность металла.
X = а(1— е~к3').
(5.24)
5 = 6/г(ЛШ/Ч>)2/;!.
В процессе химической реакции она будет уменьшаться:
5* = &п(М/гщ)"'^-х)2'\
130
ческую реакцию, реакция идет в диффузионном режиме и рассчитывается уже по законам диффузии (Фик):
Лш = -/)~5Л/, (5.25)
где Дт — масса реагента, перенесенная диффузией; /) — коэффициент диффузии; — (Дс/Дя) — градиент концентраций*; 5 — площадь сечения потока диффузии; / — время.
Очень часто гетерогенные реакции совершаются в потоке, т. е. жидкие или газовые реагенты омывают твердую поверхность. В этом случае скорость химической реакции зависит от скорости потока и его характера (ламинарный или турбулентный поток). Ламинарный поток — поток параллельных струй. Он не исключает диффузионных процессов, так как при этом на твердой стенке остается неподвижным слой жидкости большей или меньшей толщины. Турбулентный поток образует завихрения на стенке, и процесс диффузии заменяется вихревым переносом, значительно ускоряя процесс химического взаимодействия (коррозия трубопроводов, «разгар» сопл двигателей и т.д.). Кроме того, на ход реакции влияет угол направления потока с поверхностью, так как в зависимости от этого угла разрушаются защитные слои, если они возникают на поверхности. Таким образом, скорости химических реакций сильно зависят от внешних условий (размешивание).
Температура на процессы гетерогенных реакций оказывает очень сложное влияние, так как воздействует не только на скорость химической реакции, но и на процессы диффузии, на летучесть или растворимость продуктов реакции. Однако вообще влияние температуры на скорость гетерогенных реакций однозначно: с п о в ы-ш е н нем температуры скорости гетерогенных реакций р а с т е т.
Одной из проблем химической кинетики в машиностроении является получение высоких и сверхвысоких мощностей в современных двигателях, для чего используются специальные синтетические топлива и высокоактивные окислители, позволяющие сжигать большие массы топлива в очень малые промежутки времени.
5.6. ГОМОГЕННЫЙ И ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ
Катализом называется процесс изменения скорости химической реакции при прочих одинаковых условиях за счет введения дополнительных веществ — катализаторов.
Положительным считается катализ, приводящий к ускорению химической реакции, а отрицательным — приводящий к замедлению химической реакции. Последний тоже применяется в машиностроении, например, добавка антидетонаторов к моторному топливу может рассматриваться как отрицательный катализ. Антидетонато
* Знак минус показывает, что диффузия идет в сторону меньших значений концентраций.
5*
131
ры (алкилы свинца и т.д.) содействуют обрыву цепей при реакциях горения и не дают им возможности перейти во взрыв*.
Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химических реакций, но в результате реакции остающееся без изменений.
Если катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе (газы, раствор), то в этом случае катализ гомогенный, а если катализатор находится в другой фазе (твердое тело в газовой среде или в растворе), то катализ гетерогенный.
Гомогенный катализ осуществляется через промежуточные реакции с катализатором, и в результате происходит замена одной реакции с высокой энергией активации несколькими, у которых энергия активации ниже и, следовательно, скорость выше.
Явление гомогенного катализа известно очень давно. В 1823 г. Дёберейнер, исследуя ряд каталитических процессов, ввел в науку термины «катализ» и «катализатор». Каталитические процессы применялись в производстве издавна. Рассмотрим, например, гомогенный катализ при производстве серной кислоты камерным (башенным) способом. *
Очень медленная реакция окисления Б02 в БОз значительно ускоряется в присутствии оксидов азота, которые выделяются в башнях Гловера:
2502 Т- 02--*-250ц (медленный процесс) | 2502 -I- 21М02-»-2503 + 2Ы0 (быстрый процесс) | 2гЮ + 02->2Ы02 (быстрый процесс)
2502 + 02->2503 (быстрый процесс)
Суммируя две реакции с участием оксидов азота, получаем ту же самую реакцию окисления 802 в Б03 кислородом. Катализатор дает с исходным веществом промежуточные продукты, которые, кстати, выделены в свободном виде (при нарушении нормального режима процесса), — нитрозосульфоновая и нитрозилсерная кислоты.
Наличие промежуточных реакций доказывается также тем, что каталитическое действие зависит от коицетра-ции введенного катализатора.
Особенно важны процессы гомогенного катализа в биохимии, так как жизнедеятельность любых организмов, в том числе и человека, зависит от переработки продуктов питания в вещества, необходимые для развития и функционирования организмов, в относительно короткий промежуток времени.
Интересно, что реакция окисления иодоводорода пероксидом водорода (с. 115) также легко катализируется как неорганическими (Ре3+), так и биологическими продуктами (вытяжка из хрена, горчицы и, наконец, слюна человека).
* Так как антидетонаторы при сгорании моторных топлив или ингибиторы, замедляющие коррозию, расходуются в процессе, то их можно назвать катализаторами лишь условно.
