- •Лекция 1 введение
- •1. Формальная кинетика
- •1.1. Общие понятия
- •1.2. Скорость химической реакции
- •1.3. Обратимые и необратимые реакции.
- •Лекция 2
- •Кинетическая классификация химических реакций
- •Порядок реакции
- •Реакции 1гопорядка Гомогенные реакции
- •Реакции второго порядка
- •Методы определения порядка реакции
- •Лекция 3 влияние температуры на скорость химической реакции
- •Энергия активации
- •Методы определения энергии активации:
- •Лекция 4 теория соударений
- •Теория активированного комплекса.
- •Кинетика гетерогенных химических реакций
- •Поверхность раздела
- •Лекция 5 природа поверхности раздела
- •Площадь поверхности раздела
- •Геометрия поверхности раздела
- •Лекция 6 диффузионно-кинетическая теория гетерогенного реагирования
- •Выбор моделей процессов гетерогенного реагирования
- •Лекция 7.
- •Лекция 8
- •Диффузия газа через пограничную пленку, как лимитирующая стадия процесса.
- •Лекция 9
- •Скорость процессов при уменьшении размеров сферических частиц.
- •Кинетика гетерогенных химических реакций, сопровождающихся образованием твердого продукта реакции.
- •Лекция 11.
- •Кинетические модели топохимических реакций.
- •Лекция 12 кинетические уравнения, выведенные на основании представлений о цепном механизме развития реакций
- •Реакции газ - твердое адсорбционно-химические стадии гетерогенных химических реакций
- •Лекция 13 Хемосорбция
- •Теория адсорбции лЭнгмюра.
- •Лекция 14 Методы исследования кинетики гетерогенных реакций газ – твердое.
- •Характеристика методов и их аппаратурного оформления.
- •Лекция 15
- •Техника экспериментальных термогравиметрических исследований кинетики реакций твердое - газ:
- •Неизотермическая кинетика
- •Лекция 16 Гетерогенные процессы в системе «газ –жидкость» (газожидкостные реакции)
- •Описание массопередачи между газом и жидкостью.
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
U4F17U2F9и 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.
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+ГТ2, Т1Т2+Г, Т1+Г1Т2+Г2, Т1+Г1Г2 |
Физические: адсорбция. Химические: окисление металлов; разложение солей; окисление или восстановление соединений. |
Твердое – жидкость |
ТЖ, Т+Ж1Ж2, Т+Ж1Ж2, Т1+Ж1Т2+Ж2 |
Физические: плавление, растворение – кристаллизация. Химические: выщелачивание, цементация. |
Твердое – твердое |
Т1+Т2Т3, Т1Т2, Т1+Т2Т3+Г, Т1+Т2Т3+Т4 |
Физические: спекание, фазовый переход. Химические: Восстановление оксидов углеродом, восстановление оксидов или галогенидов металлами, самораспространяющийся высокотемпературный синтез. |
Жидкость – газ |
ЖГ, Ж1+Г1Ж2+Г2, Ж1+ГЖ2 |
Физические: дистилляция – конденсация, адсорбция. Химические: хемосорбция, окислительно-восстановительные реакции. |
Жидкость – жидкость |
Ж1Ж2 |
Жидкостная экстракция, реакция шлак – металл, экстракция металла – металлом. |