Диффузионные стадии

В результате протекания гетерогенной химической реакции в разных точках реакционного пространства устанавливаются раз­личные концентрации реагирующих веществ и продуктов реак­ции. Градиент концентраций реагента А является причиной возник­новения диффузии – самопроизвольного процесса переноса ве­щества в результате беспорядочного движения молекул до установления равновесного распределения концентраций. Хаотическое тепловое движение частиц вещества вызывает упорядоченный на­правленный перенос его в области, где возникают градиенты кон­центрации или где распределение концентраций отличается от равновесного.

При рассмотрении гетерогенных процессов важно знать, како­ва скорость диффузионных стадий, предшествующих химической реакции, не будут ли диффузионные процессы тормозить хими­ческое взаимодействие.

Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия внеш­них сил и т. д. Закономерности диффузионных процессов описы­ваются законами Фика.

Согласно первому закону Фика количество вещества А, пере­несенного вследствие диффузии в единицу времени через поверх­ность S, перпендикулярную направлению переноса, пропорцио­нально градиенту концентрации этого вещества в данный момент времени τ:

(14.3)

Коэффициент пропорциональности D называется коэффи­циентом молекулярной диффузии, его единицы измерения (дли­на)²∙(время)^-1, например см²∙с^-1 (см²/с).

В общем случае концентрация меняется как в пространстве, так и во времени. Изменение концентрации вещества А во време­ни в результате молекулярной диффузии описывается вторым за­коном Фика

или, в общем случае, для диффузии в трехмерном пространстве

заменим в уравнении (14.3) градиент концентрации на отношение конечных приращений:

где ΔС _А – изменение концентрации на расстоянии Δz = δ – тол­щины слоя, через который проходит диффузионный поток. Тогда

где β – коэффициент пропорциональности (коэффициент массоотдачи),

(14.4)

При протекании гетерогенного процесса у поверхности разде­ла фаз происходит расходование исходных реагентов и образова­ние продуктов реакции. Для стационарного протекания процесса необходимо непрерывное пополнение убыли реагентов у реак­ционной поверхности и удаление от нее образующихся продуктов. Перенос осуществляется вследствие диффузии при наличии пере­пада концентраций. Чем быстрее идет реакция, тем выше должна быть и скорость диффузии, иначе химическая реакция будет тор­мозиться диффузионными процессами.

Можно считать, что перепад концентраций возникает в диф­фузионном подслое, находящемся у поверхности раздела фаз. Внутри этого диффузионного подслоя перенос вещества осущест­вляется исключительно вследствие молекулярной диффузии. Чем меньше толщина подслоя δ, тем больше в соответствии с уравне­нием (14.4) коэффициент массоотдачи. Коэффициент молекулярной диффузии D (коэффициент про­порциональности в уравнениях скорости диффузии) является фун­кцией молекулярных свойств того вещества, которое диффунди­рует, и того вещества, в котором происходит диффузия первого. Он слабо возрастает с ростом температуры (~Т÷Т^3/2) и уменьшается с ростом давления. Чаще всего коэффициент D определяют по опытным данным, а также по эмпирическим или полуэмпири­ческим зависимостям.