Кинетика гетерогенных химических реакций

Механизм химической реакции

Стехиометрическое уравнение химической реакции показывает, в каких соотношениях вещества вступают во взаимодействие. Однако очень редко реакция протекает по схеме описываемой таким уравнением. Например:

UF₄+F₂=UF₆

Данное стехиометрическое уравнение показывает, что молекула фтора сталкивается с молекулой тетрафторида урана и реагирует с образованием гексафторида урана. В действительности реакция протекает по более сложному механизму через несколько последовательных стадий с образованием промежуточных фторидов, как за счет прямой реакции UF₄сF₂, так и за счет побочных реакцийUF₄сUF₆:

4UF₄ + ½ F₂ = U₄F₁₇

2UF₄ + 1/2F₂ = U₂F₉

UF₄ + ½ F₂ = UF₅

7UF₄ + UF₆  U₄F₁₇

3UF₄ + UF₆ 2U₂F₉

UF₄ + UF₆ 2UF₆

Промежуточные фториды с повышением температуры разлагаются или диспропорционируют на UF₄иUF₆, поэтому последние три реакции являются равновесными. Кинетические исследования показали, что при температурах 200 – 450⁰С лимитирующей (наиболее медленной) стадией суммарного процесса является образованиеUF₄изU₂F₉, который находится в твердом остатке после процесса фторирования.

При температурах выше 450⁰С скорость процесса фторирования в газовзвеси лимитируется уже реакцией

U₄F₁₇U₂F₉и протекает по следующему механизму

F₂

F₂

F₂

F₂

UF₄

U₄F₁₇

U₂F₉

UF₅

UF₆

t

t

медленно

медленно

UF₄+UF₆

U₄F₁₇+UF₆

U₂F₉+UF₆

Исследование механизма показали, что существенное значение имеет термическая диссоциация промежуточных фторидов, которая при высоких температурах в газовзвеси протекает с высокой скоростью. Таким образом, высокой интенсивности процесса можно достичь, если обеспечить хороший контакт реагирующих фаз в условиях интенсивного тепло-массообмена и при повышенных температурах.

Не следует думать, что простота написания уравнения химической реакции означает легкость ее протекания. Практически – механизм реагирования устанавливают экспериментально путем подбора вероятных реакций с последующим выбором уравнений, которые лучше всего соответствуют опытным данным.

1. Краткая характеристика процессов используемых в технологии производства урана.

В настоящее время, уран в ядерной технологии применяют в большинстве случаев в виде металла или UO₂для производства конечного продукта – твэлов. Необходимым этапом является этап разделения изотопов. Для этого уран переводят в газообразное соединениеUF₆, который затем обогащается по легкому изотопу и переводится вUO₂. На этом этапе важнейшим соединением являетсяUF₄.UF₄получают двумя методами «водный» и «сухой». «водный» – гидрофторирование. «сухой» – фторирование оксидов урана -UO₃,UO₂,U₃O₈. Применение «сухих» методов позволило уменьшить число технологических стадий, снизить расход энергии на единицу продукции, повысит производительность и сократить производственные площади.

Поверхность раздела

В гетерогенных реакциях между реагирующими веществами имеется поверхность раздела. Например, при реакции между твердым веществом и газом поверхностью раздела является поверхность твердого вещества, соприкасающегося с газом. Для системы жидкость – жидкость поверхность их раздела – поверхность соприкосновения между двумя несмешивающимися жидкостями. Все гетерогенные реакции делятся на пять видов реакций по характеру поверхности раздела: твердое тело – газ; твердое – жидкость; твердое – твердое; жидкость – газ; жидкость – жидкость. В таблице 1 приведены примеры различных видов гетерогенных реакций. Во всех этих случаях взаимодействующие молекулы должны быть переведены из одной фазы в другую.

Примеры гетерогенных некаталитических реакций. Таблица 1.

Поверхность раздела	Реакции	Примеры
Твердое тело – газ	Т1+ГТ2, Т1Т2+Г, Т1+Г1Т2+Г2, Т1+Г1Г2	Физические: адсорбция. Химические: окисление металлов; разложение солей; окисление или восстановление соединений.
Твердое – жидкость	ТЖ, Т+Ж1Ж2, Т+Ж1Ж2, Т1+Ж1Т2+Ж2	Физические: плавление, растворение – кристаллизация. Химические: выщелачивание, цементация.
Твердое – твердое	Т1+Т2Т3, Т1Т2, Т1+Т2Т3+Г, Т1+Т2Т3+Т4	Физические: спекание, фазовый переход. Химические: Восстановление оксидов углеродом, восстановление оксидов или галогенидов металлами, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Жидкость – газ	ЖГ, Ж1+Г1Ж2+Г2, Ж1+ГЖ2	Физические: дистилляция – конденсация, адсорбция. Химические: хемосорбция, окислительно-восстановительные реакции.
Жидкость – жидкость	Ж1Ж2	Жидкостная экстракция, реакция шлак – металл, экстракция металла – металлом.