Гетерогенные реакции

ГЕТЕРОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ, хим. р-ции с участием в-в, находящихся в разл. фазах и составляющих в совокупности гетерог. систему. Типичные Г. р.: термич. разложение солей с образованием газообразных и твердых продуктов (напр., СаСО₃ -> СаО + СО₂), восстановление ожсидов металлов водородом или углеродом (напр., РЬО + С -> Рb + СО), растворение металлов в к-тах (напр., Zn + + H₂SO₄ -> ZnSO₄ + Н₂), взаимод. твердых реагентов (А1₂О₃ + NiO -> NiAl₂O₄). В особый класс выделяют гетерогенно-каталитич. р-ции, протекающие на пов-сти катализатора; при этом реагенты и продукты могут и не находиться в разных фазах. Напр., при р-ции N₂ + + ЗН₂ -> 2NH₃, протекающей на пов-сти железного кат., реагенты и продукт р-ции находятся в газовой фазе и образуют гомог. систему.

Особенности Г. р. обусловлены участием в них конденсированных фаз. Это затрудняет перемешивание и транспорт реагентов и продуктов; возможна активация молекул реагентов на пов-сти раздела фаз. Кинетика любой Г. р. определяется как скоростью самого хим. превращения, так и процессами переноса (диффузией), необходимыми для восполнения расхода реагирующих в-в и удаления из реакц. зоны продуктов р-ции. В отсутствие диффузионных затруднений скорость Г. р. пропорциональна размерам реакц. зоны; т. наз. удельная скорость р-ции, рассчитанная на единицу пов-сти (или объема) реакц. зоны, не изменяется во времени; для простых (одностадийных) р-ций она м.б. определена на основе действующих масс закона. Этот закон не выполняется, если диффузия в-в протекает медленнее, чем хим. р-ция; в этом случае наблюдаемая скорость Г. р. описывается ур-ниями диффузионной кинетики (см. Макрокинетика).

При Г. р. с участием одного или неск. твердых реагентов часто образуются твердофазные продукты. Такие р-ции, как правило, локализованы на пов-сти раздела фаз или в поверхностном слое и обычно протекают нестационарно. Они характеризуются периодом индукции, в течение к-рого возникают зародыши (ядра) новой фазы. Их образование связано с перестройкой атомной структуры твердого реагента и требует затраты энергии. Поэтому такие Г. р. чувствительны ко всем нарушениям структуры, облегчающим образование зародышей, и м. б. активированы термич., радиац., мех. и др. воздействиями, увеличивающими концентрацию дефектов, в первую очередь плотность дислокаций (см. Дефекты в кристаллах). Кинетич. ур-ние р-ции в этом случае отражает изменение во времени не только концентраций реагирующих в-в, но и пов-сти раздела твердых фаз реагента и продукта: по мере роста зародышей пов-сть раздела увеличивается и скорость р-ции сначала возрастает, затем проходит через максимум и снижается вследствие соприкосновения растущих зародышей и образования сплошного слоя твердого продукта (подробнее см. Топохимические реакции).

В природе Г. р. входят в комплекс процессов, приводящих к образованию осадочных пород и выветриванию. В хим. технологии Г. р. газа с жидкостью (окисление воздухом, кислородом, озоном; хлорирование и др.) обычно проводят при интенсивном перемешивании спец. мех. устройствами или самим газом (в т. наз. барботажном реакторе). Р-ции термич. разложения составляют основу фотографич. процесса, р-ции между газами или жидкостями и твердыми в-вами-основу обжига, восстановления и окисления металлов, горения, произ-ва твердых катализаторов, выщелачивания, экстракции и др. Часто сочетаются Г. р. в трех-и многофазных системах, напр. хлорирование твердых оксидов металлов газообразным хлором в присут. твердого углеродсодержащего восстановителя. Важная область использования Г. р.-получение тонких поверхностных слоев и покрытий при взаимод. твердого тела с жидкостью. При низких т-рах диффузия в глубь твердого материала протекает медленно, что позволяет получать стабильные тонкие поверхностные слои, а в отдельных случаях-двухмерные фазы, толщина к-рых по порядку величины близка к параметру кристаллич. решетки. Иногда стабильные поверхностные слои образуются самопроизвольно; таковы защитные оксидные пленки на металлах, препятствующие дальнейшему окислению (см. Газовая коррозия).

Лит.: Янг Д., Кинетика разложения твердых веществ, пер. с англ., М., 1969; Дельмон Б., Кинетика гетерогенных реакций, пер. с франц^ М., 1972; Розовский А.Я., Гетерогенные химические реакции, М., 1980. А.Я.Розовский.