Природа поверхности раздела
advertisement
Химическая кинетика гетерогенных процессов Лекция 5 Шагалов Владимир Владимирович ПОВЕРХНОСТЬ РЕАГИРОВАНИЯ Влияние поверхности на скорость процесса: 1. Природа поверхности раздела; 2. Площадь поверхности раздела; 3. Геометрия поверхности раздела. 2 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Для реакций, в которых участвует твердое вещество (Т-Г, Т-Ж, Т-Т), характер поверхности раздела играет основную роль при рассмотрении кинетики процесса. Вызвано это существованием дефектов решетки и вакансий. Если в веществе отсутствуют дефекты и количественное соотношение атомов постоянно, не зависимо от способа получения, то такие вещества называют дальтониды. 3 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Для большинства неорганических веществ о молекулярности можно говорить лишь в химическом смысле этого слова, нельзя найти молекул NaCl, UO2, Ce2O3, HNO3 Вещества обладающие ионной связью у которой нет ограничения на количество связей для каждого иона называются бертоллиды. 4 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела В идеальном кристалле вида АВ при абсолютном нуле число атомов А точно равно числу атомов В. При температуре выше абсолютного нуля тепловые колебания атомов способствуют появление дефектов решетки, а именно дефектов Шоттки и Френкеля 5 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Дефект состоит из Шоттки вакансий катионов и анионов, т.е. катионные и анионные узлы не заполнены. Считается, что вакансии мигрируют к поверхности кристалла. 6 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Дефект Френкеля состоит из вакансий одного вида (катионной или анионной) и атома, который случае в идеальном должен занять междоузлие. В кристалле, содержащем дефект Френкеля или дефект 7 Шоттки, число атомов А равно числу атомов В, т.е. соединение стехиометрическое. Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Существует группа соединений, у которых некоторые узлы в решетке могут быть свободными, и число атомов А не равно числу атомов В. Это нестехиометрические соединения. Двуокись урана (UO2) фактически относится к фазе, у которой для одной и той же кристаллической структуры состав изменяется от UO1,6 до UO2,3 без значительных изменений типа кристаллической решетки. 8 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Существуют четыре типа нестехиометрических соединений: 1. Дефицит атомов неметалла (анионов). Тип а и б. 2. Избыток атомов неметалла (анионов). Тип а и б. 9 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Дефицит атомов неметалла (анионов). Тип а. При удалении атомов неметалла из кристаллической решетки в ней образуются вакансии и появляется избыток атомов металла. Электроны, которые связаны анионами, остаются в вакансиях. Примеры: KCl, NaCl, KBr, -TiO, ThO2, CeO2, PbS. 10 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Дефицит атомов неметалла (анионов). Примеры: ZnO, CdO. Тип б. При недостатке атомов неметалла в кристаллической решетке электроны, ранее связанные с ними, остаются после удаления атомов, а избыточные ионы металла вынуждены занять междоузлия, а свободные электроны располагаются рядом с этими 11 междоузельными катионами. Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Избыток атомов неметалла (анионов). Тип а. У решетки появляются дополнительные атомы неметалла, которые становятся анионами после захвата электронов при окислении ионов металла до более высокого валентного состояния. Примеры: Cu2O, FeO, NiO, CoO, FeS, CrS, SnS. 12 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Избыток атомов неметалла (анионов). Тип б. Решетка приобретает дополнительные атомы неметалла, которые становятся анионами, захватывая электроны при окислении ионов металла. Добавляемые анионы занимают междоузлия. Примеры: UO2. 13 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Соединения с дефектами недостатка анионов содержат электроны свободные могут электроны. быть Захваченные возбуждены до более высоких уровней энергий и у веществ А появляется окрашивание. Эти электроны – подвижны и могут перемещаться по всей кристаллической решетке. Проводники n-типа 14 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Дефекты, связанные с избытком анионов, найдены только в соединениях тех металлов, которые могут проявлять различное валентное состояние. Проводимость различных состояний обусловлена окисления, наличием поэтому при разнице потенциальных энергий электрон может перейти от иона с меньшей валентностью к иону с более высокой валентностью. Проводники р-типа 15 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Рассмотренные дефекты кристаллов относятся к точечным или нульмерным дефектам, в частности к собственным точечным дефектам. Подобные дефекты могут возникать при наличии примесных ионов. Это наиболее изученный тип дефектов. 16 Шагалов Владимир Владимирович Природа поверхности раздела Существует целый ряд одно, двух и трехмерных дефектов, которые могут оказывать влияние частности на кинетику влияние различных на скорость процессов, в растворения кристаллов по различным осям кристалла. 17 Шагалов Владимир Владимирович Площадь поверхности раздела В гетерогенных реакциях взаимодействующие молекулы переносятся из одной фазы в другую, и скорость переноса зависит от площади поверхности раздела. В реакциях с твердыми телами мелкие частицы будут реагировать быстрее, чем крупные, так как у мелких частиц площадь поверхности раздела больше. 18 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Форма твердого вещества, вступающего в реакцию с жидкостью или газом, играет важную роль в определении скорости процесса. Если твердое вещество имеет форму пластинки, то площадь поверхности в течение реакции будет неизменной, поэтому скорость реакции будет постоянной. Если образец имеет форму цилиндра или шара, то по мере протекания реакции площадь поверхности и соответственно скорость реакции будет меняться. 19 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Рассмотрим реакцию системы твердое тело – жидкость, например, растворение металла в кислоте. Допустим, что концентрация кислоты остается постоянной в течение всей реакции, тогда: 𝑑𝑀 − = 𝑘𝐹𝐶 𝑑τ 20 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Плоский образец (пластинка). Площадь поверхности F будет постоянна в течение всего процесса растворения: 𝑀 − τ 𝑑𝑀 = 𝑘𝐹𝐶 𝑀0 𝑑τ 0 𝑀0 − 𝑀 = 𝑘𝐹𝐶τ График зависимости M0–M от должен быть прямой линией с наклоном равным kFC, из которого можно вычислить k. 21 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме шара. Площадь поверхности F не будет постоянна в течение всего процесса растворения: 𝑑𝑀 − = 𝑘𝐹𝐶 𝑑τ 𝐹 = 4π𝑟 2 4 3 𝑀 = π𝑟 ρ 3 22 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме шара. 1 3 3 𝑀 𝑟= 4π ρ 3 𝐹 = 4𝜋 4πρ 𝑑𝑀 3 − = 4𝑘𝜋 𝑑𝜏 4πρ 2 3 𝑀2 3 2 3 𝑀2 3 𝐶 = 𝑘`𝑀2 3 23 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме шара. 𝑀 𝑑𝑀 − = 𝑘` 2 3 𝑀0 𝑀 3 1 3 𝑀0 − 𝑀1 1/3 График зависимости 𝑀0 3 τ 𝑑τ 0 = 𝑘`τ − 𝑀1/3 от или 𝑀1/3 от должен быть прямой линией 24 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме цилиндра (проволоки). Площадь поверхности F не будет постоянна в течение всего процесса растворения: 𝑑𝑀 − = 𝑘𝐹𝐶 𝑑τ 𝐹 = 2π𝑟𝑙 𝑀 = π𝑟 2 𝑙ρ 25 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме шара. 1𝑀 𝑟= π ρ𝑙 𝑀 𝐹 = 2𝜋𝑙 π𝑙ρ 𝑑𝑀 π𝑙 − =𝑘 𝑑𝜏 ρ 1 2 1 2 π𝑙 =2 ρ 1/2 𝑀1/2 1/2 𝑀1/2 𝐶 = 𝑘`𝑀1/2 26 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме шара. 𝑀 𝑑𝑀 − = 𝑘` 1/2 𝑀0 𝑀 2 1/2 𝑀0 τ 𝑑τ 0 − 𝑀1/2 = 𝑘`τ 1/2 График график зависимости 𝑀0 − 𝑀1/2 от , или M1/2 от должен быть прямой линией 27 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме куба. Площадь поверхности F не будет постоянна в течение всего процесса растворения: 𝑑𝑀 − = 𝑘𝐹𝐶 𝑑τ 𝐹 = 6𝑟 3 𝑀 = 𝑟3ρ 28 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Образец в форме шара. 𝑀 𝑟= ρ 𝑀 =6 ρ 2/3 1/3 𝑑𝑀 𝑀 => − = 6𝑘 𝑑𝜏 ρ 3 1/3 𝑀0 2/3 𝐶 = 𝑘`𝑀2/3 − 𝑀1/3 = 𝑘`τ. Все эти формулы имеют смысл при неизменной концентрации кислоты во времени, либо при 29 небольших степенях реагирования и отсутствия на Шагалов Владимир Владимирович поверхности продуктов реакции. Геометрия поверхности раздела Уравнение скорости выраженное в прореагировавших долях. В ряде технологических процессов измерять скорость процесса относительно оставшейся массы не всегда удобно (особенно для реакций протекающих в потоке), для более простого выражения используют понятие степень превращения. 30 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Степень превращения (прореагировавшая доля) – отношение количества прореагировавшего вещества к исходному количеству (5.16). Количество вещества может быть (количеством выражено любым молей, параметром концентрацией, электропроводностью и т.д.) напрямую зависящим от массы вещества. 𝑀0−𝑀 𝛼= 𝑀0 31 Шагалов Владимир Владимирович Геометрия поверхности раздела Шар 1/3 1 − (1 − 𝑎) = 𝑘𝐶 τ. 𝑟0 ρ Куб 1− 1−𝑎 1 3 2𝑘𝐶 = τ 𝑟0 ρ 1− 1−𝑎 1 2 𝑘𝐶 = τ 𝑟0 ρ Цилиндр 32 Шагалов Владимир Владимирович
