Кінетика гетерогенних процесів

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:

,

(2.1)

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 (2.1) стоїть знак мінус.

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

,

(2.2)

де V – об’єм розчину.

Якщо процес лімітується дифузією, то безпосередньо біля поверхні твердої речовини розчин буде практично насиченим (рис. 2).

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

(2.3)

і згідно з (2.1):

.

(2.4)

Тоді швидкість процесу розчинення буде виражатися рівнянням:

(2.5)

де - константа швидкості процесу розчинення твердої речовини. З рівняння (2.5) випливає, що процес розчинення в умовах стаціонарної дифузії має перший порядок.

Якщо рівняння (2.5) проінтегрувати, розділивши змінні, то отримуємо формулу для розрахунку константи швидкості процесу розчинення:

.

(2.6)