Основні теоретичні відомості. Гетерогенним називається процес, учасники якого перебувають у різних фазах

Гетерогенним називається процес, учасники якого перебувають у різних фазах. Такими процесами є розчинення, кристалізація, випаровування, розклад твердих сполук, хімічна взаємодія між речовинами, які перебувають в різних агрегатних станах.

Гетерогенні процеси складаються з декількох послідовних стадій. Швидкість всього процесу визначається швидкістю найповільнішої (лімітуючої) стадії. Такою стадією зазвичай є або підвід реагентів до поверхні розділу фаз, або відведення продуктів від цієї поверхні внаслідок дифузії.

Дифузія – це процес самочинного вирівнювання концентрацій. За першим законом Фіка:

,

(10.1)

де dn – кількість молів перенесеної дифузією речовини через переріз S за час dt при градієнті концентрації ; D – коефіцієнт дифузії, який чисельно дорівнює кількості речовини, що дифундує за одиницю часу через одиницю перерізу при градієнті концентрації, рівному одиниці. Коефіцієнт дифузії має розмірність . У напрямку дифузії < 0, тому в рівнянні (10.1) стоїть знак мінус.

Розглянемо процес розчинення твердої речовини у розчині з концентрацією С. Його швидкість можна виразити збільшенням концентрації розчиненої речовини за одиницю часу:

,

(10.2)

де V – об’єм розчину.

Якщо процес лімітується дифузією, то безпосередньо біля поверхні твердої речовини розчин буде практично насиченим (рис. 10).

Дифузія відбуватиметься в нерухомому, так званому дифузійному шарі, який розташований поблизу поверхні. Якщо товщина дифузійного шару становить δ, то градієнт концентрації дорівнює:

(10.3)

і згідно з (10.1):

.

(10.4)

Тоді швидкість процесу розчинення буде виражатися рівнянням:

(10.5)

де – константа швидкості процесу розчинення твердої речовини. З рівняння (10.5) випливає, що процес розчинення в умовах стаціонарної дифузії, за якої концентрація змінюється вздовж напрямку дифузії лінійно (тобто тільки з відстанню від поверхні х, а від часу не залежить), має перший порядок.

Якщо рівняння (10.5) проінтегрувати, розділивши змінні, то отримуємо формулу для розрахунку константи швидкості процесу розчинення: