Скорость химической реакции в гомогенных системах

Рассмотрим гомогенные системы, в которых реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой) и в которой диффузионные процессы не влияют на скорость превращения.

В таких случаях скорость превращения определяется скоростью химического превращения. По i- му компоненту продуктов в расчете на единицу объёма системы её можно выразить следующим образом:

w =- =- =- =-

где С_i--концентрация реагента.

Если реакция проходит при постоянном объеме уравнение упрощается до вида

w =- = w =- (24)

Для идеальных газов

w =- = (25)

Скорость процесса можно выразить также изменением степени превращения Х.

w = (26)

Так как истинная скорость процесса во многом зависит от типа реактора (которые мы будем рассматривать позже) поэтому рассмотрим основные формулы скорости процесса лишь в общем, виде.

1. Для гомогенных преобразований и гетерогенных процессов при неизвестной поверхности соприкосновения фаз

ω = kVΔC или ω = kΔC

(27)

2. Для гетерогенных процессов, т.е. при фазовом переходе веществ, когда известно значение поверхности раздела, скорость процесса обычно выражают уравнением Ньютона для теплопередачи:

ω = kFΔC

(28)

где k- константа скорости процесса;

ΔС- движущая сила процесса;

V- реакционный объём.

F-поверхность соприкосновения реагирующих фаз;

Константа или коэффициент скорости процесса представляет собой сложную величину. Она зависит не только от химических свойств реагирующих веществ, но и от физических характеристик, конструкции аппарата, скорости потоков, перемешивания, диффузии реагирующих веществ.

Если в гомогенных процессах при хорошем перемешивании диффузия протекает очень быстро, то в гетерогенных системах диффузия, как правило – самая медленная стадия, определяющая общую скорость всего процесса. Поэтому константа скорости в этом случае определяется как

K = D/ δ

где D – коэффициент диффузии;

δ –толщина диффузионного слоя.

Если процесс протекает в переходной области, то константа скорости должна учитывать и диффузионные (D) и кинетические (К) этапы так что:

То есть возникают дополнительные торможения процесса.

Поэтому технологи стремятся по возможности перевести процессы из диффузионной или переходной области в кинетическую, применяя интенсивное перемешивание реагентов.

Движущая сила процесса ΔС

Для гомогенных реакций определяется по закону действующих масс как произведение концентраций реагирующих веществ в данный момент. Для простой необратимой реакции

Однако такого типа реакции редки в производственных условиях. Уравнение пригодно когда скорость процесса определяется концентрацией вещества А в следствии избытка остальных реагентов т.е. гидратация, гидролиз окисление кислородом воздуху и.т.п.