Гетерогенные химические реакции — это химические процессы с участием веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (фазах). Такие процессы могут происходить в точке соприкосновения газа и жидкости, жидкости и твёрдого вещества и т.д.
Основная особенность гетерогенных реакций — различные состояния реагирующих веществ. Этим подобные процессы отличаются от гомогенных, где все участники и продукты реакции находятся в одинаковом агрегатном состоянии (газы или жидкости).
Особенности гетерогенных реакций
Гетерогенной является реакция, где продукты находятся в двух и более фазах. Взаимодействие веществ и химические процессы происходят на границе этих фаз. Это делает подобные процессы менее однородными и более сложными, чем гомогенные: на взаимодействие между реагирующими веществами влияет не только природа веществ, но и их агрегатное состояние. К примерам подобных реакций можно отнести растворение соли в воде, появление ржавчины на металле из-за воздействия воды или горение.
Типы гетерогенных химических реакций
Выделяется несколько типов гетерогенных химических реакций в зависимости от агрегатного состояния веществ, которые участвуют в процессе:
- Твёрдое вещество + газообразное вещество. Пример такого процесса — горение, которое происходит при взаимодействии твёрдого угля и кислорода. Продукт такой реакции находится в газообразном состоянии (углекислый газ).
- Газообразное вещество + жидкость. Один из примеров — орошение в реакторной установке. Этот процесс включает взаимодействие жидкости в виде мелких капель, а также газа, через который пролетают капли жидкости.
- Твёрдое вещество + жидкость. Есть множество примеров подобных процессов: от растворения кристаллов твёрдого вещества (например, соли) в воде до реакции серной кислоты и оксида цинка.
Также к гетерогенным можно отнести процессы, происходящие между несмешивающимися жидкими веществами или двумя твёрдыми веществами. Такие реакции, как и процессы, проходящие между веществами в разных агрегатных состояниях, происходят на границе раздела фаз, причём эта граница явно выражена.
Факторы, влияющие на скорость реакции
Скорость гетерогенной реакции — это количество вещества, которое изменяется на единице площади границы реагентов за определённый временной интервал.
На эту характеристику влияет ряд показателей:
- Концентрация взаимодействующих веществ. Так, например, в процессах, включающих серную или другую кислоту, протекание реакции ускоряется при увеличении концентрации и снижается при разбавлении кислоты.
- Тип и свойства реагентов, прочность связей между молекулами вещества. Взаимодействие различных веществ протекает с различной скоростью.
- Площадь контакта. Чем больше площадь соприкосновения реагентов, тем быстрее протекает процесс. Так, для ускорения реакции между твёрдым веществом и жидкостью твёрдое вещество дробят либо измельчают, что увеличивает площадь контакта.
- Температура реагентов. Повышение температуры значительно ускоряет протекание процесса. В зависимости от природы реагентов нагрев на 10° может ускорить процесс до 4 раз.
- Наличие катализатора / ингибитора. Такие вещества не изменяют продукты реакции, но воздействуют на темпы протекания процесса. Катализатор ускоряет взаимодействие реагентов, ингибитор — замедляет.
Реакторы для гетерогенных реакций
Один из способов ускорить протекание реакции — увеличить площадь контакта реагирующих веществ. Если процесс протекает в частично смешивающихся или полностью несмешивающихся жидкостях, увеличение площади достигается путём постоянного перемешивания компонентов.
Для оптимизации процессов используются установки, в которых реакционная смесь подвергается постоянному перемешиванию. Полное перемешивание позволяет достичь максимальной площади контакта и эффективности реакции, аналогичной эффективности гомогенного процесса. Также существуют реакторы для проведения реакций «газ — жидкость», в которых организовано противоточное / прямоточное движение потоков вещества, разбрызгивание жидкости в газе или барботаж газа через жидкость.
Применение реакторов с мешалками позволяет обеспечивать повышенную эффективность реакции благодаря использованию катализатора и увеличению площади контакта веществ. Кроме того, применение таких установок облегчает контроль за температурой и концентрацией реагентов, позволяя получить более качественный и прогнозируемый результат.
