Основные понятия кинетики гетерогенных реакций

В любой гетерогенной реакции взаимодействие реагентов происходит на поверхности раздела фаз. Поэтому состояние и величина поверхности соприкосновения фаз, на которой происходит взаимодействие, имеет большое значение. Примеры гетерогенных процессов: процессы растворения, кристаллизации, испарения, конденсации, химические реакции на границе двух фаз, электрохимические процессы на границе электрод-раствор, гетерогенный катализ. Видно, что гетерогенные реакции многообразны. Конечно, всем им присущи некоторые общие черты, однако в виду такого многообразия даже определительное выражении для скорости гетерогенной реакции будет в различных реакциях различным.

Гетерогенная реакция это совокупность нескольких элементарных реакций:

 доставка реагента из раствора к поверхности твердого тела;

 собственно химическая реакция на поверхности твердого тела;

 отвод продуктов реакции от поверхности вглубь раствора.

В общем случае возможно еще несколько стадий:

 дополнительное химическое превращение реагента в растворе, как то: ассоциация или диссоциация, димеризация, протонизация и т.п.

 дополнительное превращение продуктов реакции у поверхности твердого тела: комплексообразование, протонизация и т.п.

 возможна адсорбция исходных веществ и десорбции продуктов.

Одна или несколько стадий могут быть лимитирующими, то есть обладать самой малой скоростью. Именно эти стадии будут определять суммарную скорость всего гетерогенного процесса. Например, при растворении солей в воде или в растворе, наиболее медленной стадией является диффузия.

Рассмотрим вначале гетерогенный процесс, в котором самой медленной стадией является стадия доставки вещества к границе раздела фаз. Доставка вещества к границе между фазами может осуществляться за счет конвекции и диффузии.

Конвекция – это перемещение всей среды в целом. Конвекция раствора на границе с твердой поверхностью может происходить из-за разной плотности раствора в объеме раствора и вблизи поверхности твердого тела, что вызывается неодинаковой концентрацией или температурой раствора. Конвекцию можно создать или перемещением твердого тела в растворе или раствора вблизи твердого тела (вращение твердого тела, перемешивание раствора).

Диффузия – это перемещение молекул вещества в неподвижной среде под влиянием градиента концентрации. Различают диффузию:

 линейную (в одном направлении) и пространственную (во всех направлениях)

 стационарную (при этом виде диффузии концентрация вещества в любой точке пространства не меняется со временем) и нестационарную.

Гетерогенные процессы при стационарной диффузии

Пусть в рассматриваемом процессе будет стационарная конвективная диффузия. Этого типа процессы наблюдаются в перемешиваемых растворах. Согласно законам гидродинамики поток жидкости вблизи поверхности твердого тела тормозится, причем слой жидкости молекулярных размеров, непосредственно прилегающий к поверхности, прочно удерживается на ней и не перемещается относительно нее. По теории стационарной конвективной диффузии (В.Нернст) считается, что вблизи поверхности твердого тела существует, несмотря на перемешивание (конвекцию), неподвижный слой толщиной в несколько тысяч молекулярных размеров – так называемый эффективный диффузионный слой толщиной , через который доставка вещества к поверхности твердого тела осуществляется только за счет диффузии. Внутри этого слоя конвекции нет.