Методика выполнения работы и ее обоснование

Исследование реакции с участием твердых фаз способствует разработке теоретических основ кинетики и служит средством познания реакционной способности твердых веществ. Отличительной особенностью гетерогенных реакций является то, что химическое взаимодействие протекает на поверхности раздела исходных и вновь образующихся фаз.

Гетерогенные реакции проходят через ряд последовательных стадий:

Диффузию частиц реагирующих веществ к поверхности раздела фаз, где происходит химическое взаимодействие;

Собственно химическую реакцию;

Диффузию образующихся продуктов из зоны реакции;

Кристаллизацию полученных твердых продуктов.

В зависимости от скорости протекания той или иной стадии суммарная скорость реакции может определяться химическими, диффузионными, или кристаллизационными процессами.

Реакции типа А_(т) = В_(т) + С_(г), у которых химическое взаимодействие не осложнено диффузионными процессами, называются топохимическими. Для топохимических реакций характерно нарастание скорости реакции в начальный момент процесса и достижение ею предельного значения с последующим спадом до нуля. Одним из основных признаков топохимических реакций служит S-образный вид кинетической кривой.

Топохимической реакцией является реакция разложения перманганата калия:

2KMnO_4(т) = K₂MnO_4(т) + MnO_2(т) + O_2(г).

Реакция начинается не на всей поверхности исходного твердого вещества, а на отдельных точках, линиях и участках тела, так называемых потенциальных центрах реакции, откуда реакция постепенно распространяется вглубь кристалла. Центрами реакции являются места на поверхности кристалла  KMnO₄, где связи с ближайшими частицами ослаблены. К таким активным местам относятся вершины углов, ребра и некоторые точки на гранях кристалла. Особенно реакционноспособными оказываются участки с различного рода поверхностными дефектами.

В начальные моменты реакции поверхность раздела между исходной и вновь образующейся фазами, которую можно назвать поверхностью реакции, ничтожно мала, поэтому мала и скорость процесса. По мере развития процесса поверхность реакции отдельных центров (зон), а, следовательно, и суммарная поверхность, растут. В результате этого растет и скорость химического взаимодействия. Скорость процесса будет иметь максимальное значение при наибольшей величине поверхности реакции, которая достигается, когда поверхности отдельных зон приходят в соприкосновение. После того, как поверхности отдельных зон перекроются, скорость реакции уменьшится вследствие сокращения суммарной поверхности реакции.

Для изучения скорости данной реакции предложен метод, основанный на измерении давления кислорода, выделившегося при разложении перманганата калия.

 Б.В.Ерофеевым было предложено уравнение, описывающее кинетику топохимических реакций:

,                                         (6.1)

где α – степень превращения,

  k – константа скорости реакции,

  t – время,

  r – показатель степени, определяемый опытным путем.

Практическое использование уравнения (6.1) возможно после его двойного логарифмирования, приводящего к равенству вида

ln (–ln (1 – α)) = ln k + r ln t.                                 (6.2)

Уравнение (6.2) является уравнением прямой. Величины k и r находят графически, откладывая на оси ординат ln (–ln (1 – α), а на оси абсцисс – ln t. По величине тангенса угла наклона полученной прямой к оси t определяют r. А из величины отрезка, отсекаемого на оси ординат, находят значение константы скорости k. Зная константы скорости, точнее ln k ₁ и ln k ₂ для двух температур (T ₁ и T ₂) и при постоянном r, можно рассчитать энергию активации по уравнению Аррениуса (1.13).