Номер 5, страница 148 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 21. Факторы, влияющие на скорость гомогенных и гетерогенных реакций - номер 5, страница 148.

Условие.

5. Расскажите об особенностях кинетики гетерогенных химических реакций.

Решение.

Решение 2.

Гетерогенные реакции — это химические реакции, в которых реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях или в одной фазе, но разделены поверхностью раздела (например, две несмешивающиеся жидкости). Ключевой особенностью кинетики таких реакций является то, что они протекают на границе раздела фаз. Вследствие этого скорость гетерогенной реакции зависит не от объема системы, а от площади межфазной поверхности.

Стадии гетерогенного процесса

Процесс гетерогенной реакции, например, реакции газа на поверхности пористого твердого вещества, можно разбить на несколько последовательных стадий:

1. Подвод реагирующих веществ из основной массы фазы (газа или жидкости) к поверхности раздела фаз. Этот процесс называется внешней диффузией.
2. Если твердое вещество пористое, то реагенты диффундируют вглубь пор к внутренней поверхности. Этот процесс называется внутренней диффузией.
3. Адсорбция — поглощение и удержание молекул реагентов на активных центрах поверхности твердого вещества.
4. Собственно химическое превращение адсорбированных молекул на поверхности.
5. Десорбция — отрыв молекул продуктов с поверхности.
6. Отвод продуктов из пор твердого вещества (внутренняя диффузия продуктов).
7. Отвод продуктов от поверхности в основную массу фазы (внешняя диффузия продуктов).

Лимитирующая стадия и области протекания реакции

Общая скорость всего многостадийного процесса определяется скоростью самой медленной его стадии, которую называют лимитирующей. В зависимости от того, какая стадия лимитирует процесс, выделяют три основные области (режима) протекания реакции:

• Кинетическая область. Лимитирующей стадией является собственно химическая реакция (стадия 4). Это наблюдается, когда скорость подвода и отвода веществ (диффузия) значительно выше скорости химического превращения. В этом режиме скорость реакции сильно зависит от температуры (подчиняется уравнению Аррениуса) и химической природы реагентов и катализатора.
• Внешнедиффузионная область. Процесс лимитируется скоростью подвода реагентов к внешней поверхности твердого тела (стадия 1). Это характерно для очень быстрых реакций. Скорость процесса здесь слабо зависит от температуры, но сильно зависит от гидродинамических условий: скорости потока, интенсивности перемешивания.
• Внутридиффузионная область. Скорость процесса определяется скоростью диффузии реагентов и продуктов внутри пор твердого тела (стадии 2 и 6). Этот режим характерен для быстрых реакций на пористых катализаторах или реагентах. Скорость зависит от размера и структуры пор, размера частиц твердого вещества. Наблюдаемая энергия активации в этом режиме примерно в два раза ниже истинной энергии активации химической стадии.

Математическое описание скорости

В отличие от гомогенных реакций, скорость которых относят к единице объема ($v = \frac{1}{V}\frac{dn}{dt}$), скорость гетерогенной реакции чаще всего относят к единице площади межфазной поверхности $\text{S}$ или к единице массы $\text{m}$ твердого реагента (или катализатора):

$v_{уд} = \frac{1}{S}\frac{dn}{dt}$ или $v_{уд} = \frac{1}{m}\frac{dn}{dt}$

Кинетическое уравнение зависит от лимитирующей стадии. Например, для внешнедиффузионной области скорость пропорциональна разности концентраций в объеме фазы ($C_0$) и у поверхности ($C_S$):

$v = \beta (C_0 - C_S)$

где $\beta$ — коэффициент массопередачи.

Факторы, влияющие на скорость

На скорость гетерогенных реакций влияет ряд факторов, определяющих как скорость диффузионных стадий, так и скорость химического акта:

• Площадь поверхности контакта фаз: Увеличение площади поверхности раздела фаз ведет к увеличению скорости реакции. Поэтому твердые реагенты часто измельчают или используют в виде пористых гранул.
• Температура: Повышение температуры ускоряет и диффузию, и химическую реакцию. Наиболее сильное влияние (экспоненциальное) температура оказывает в кинетической области. В диффузионных областях эта зависимость значительно слабее.
• Концентрация (давление): Повышение концентрации реагентов, как правило, увеличивает скорость реакции, влияя как на скорость диффузии, так и на скорость поверхностной реакции.
• Перемешивание: Интенсивное перемешивание или увеличение скорости потока ускоряет внешнюю диффузию, что может перевести реакцию из диффузионной области в кинетическую.
• Природа твердого вещества: Химический состав, структура поверхности, пористость, наличие активных центров (в случае катализа) определяют скорость химической стадии и внутренней диффузии.

Ответ: Особенностями кинетики гетерогенных химических реакций являются: 1) протекание на границе раздела фаз, что делает ключевым фактором площадь поверхности; 2) многостадийность процесса, включающая массоперенос (диффузию) реагентов и продуктов, их адсорбцию/десорбцию и собственно химическое превращение на поверхности; 3) существование лимитирующей стадии, которая определяет общую скорость и режим протекания реакции (кинетический, внешне- или внутридиффузионный); 4) сложная зависимость скорости от множества факторов, включая температуру, концентрацию, площадь поверхности, гидродинамические условия и пористую структуру твердой фазы.