Макроскопическая кинетика
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Когда мы хотим сказать, что из двух веществ — А и В получаются два новых вещества — С и D мы составляем уравнение реакции: А + В – С + D. При этом подразумевается, что мы имеем дело всего с четырьмя участниками событий, и отношения между ними, и только между ними, влияют на ход реакции. К сожалению, в реальных условиях все обстоит намного сложнее.
Молекулы А и В могут вступить в химическую реакцию, во-первых, только при столкновении, а во-вторых, лишь в том случае, если их скорость, а точнее, их энергия, достаточно велика. Иными словами, А и В должны иметь энергию, превышающую энергию активации, которая необходима молекулам, чтобы преодолеть взаимное отталкивание.
Только очень небольшая часть молекул имеет энергию большую, чем энергия активации. Поэтому встречи таких активных молекул происходят весьма редко, и химическая реакция, возможная в принципе фактически протекает крайне медленно. Как можно ускорить такую реакцию?
Первый, простейший путь — повысить температуру в реакторе. Число быстродвижущихся молекул возрастет, взаимные встречи активных частиц станут происходить значительно чаще, и реакция пойдет быстрее.
Второй путь — применить катализатор, вещество, которое помогает соединяться даже не очень активным молекулам. Реакция будет идти с большой скоростью при невысокой температуре. Реакции второго типа — идущие с применением катализаторов — играют в современной химии, и прежде всего в химической промышленности, основную роль. Каталитические реакции бывают двух типов: гомогенные, идущие равномерно по всему объему реактора, и гетерогенные, происходящие на поверхности катализатора. Промышленные реакции являются, как правило, гетерогенными.
Казалось бы, все хорошо: мы добились, чего хотели, — большой скорости реакции. Да, добились. Но какой ценой? Введение в реакцию нового действующего лица — катализатора повлекло за собой новую проблему. Как добиться встречи трех действующих лиц — двух реагирующих молекул и поверхности катализатора, когда скорость молекул так велика, что им трудно встретиться даже вдвоем?
Гетерогенная реакция идет в три стадии: первая стадия — доставка реагирующих частиц к катализатору, вторая стадия — химическое превращение на поверхности катализатора и третья стадия — отвод продуктов реакции.
И получается, что собственно реакция — та, которую мы писали вначале, — оказывается в плену первой и третьей стадий; они становятся главными в процессе, они лимитируют его скорость, от них зависит эффективность химического процесса.
На заре химической индустрии, когда мы не располагали мощными катализаторами и приходилась поэтому довольствоваться медленными скоростями процессов, можно было пренебрегать такими «нехимическими» факторами, как доставка реагирующих молекул и отвод продуктов реакции. Но современная химическая промышленность «приняла на вооружение» огромные скорости, и стадия доставки веществ к месту реакции, стадия, совершенно неинтересная с чисто химической стороны, превращается в главный этап, лимитирующий общую скорость процесса.
Изучение скорости химического процесса с учетом его «нехимических» стадий и есть задача макрокинетики. Эта общая задача распадается на несколько частных проблем.
Первая проблема связана с процессами массообмена: растворением газов и твердых тел в жидкостях, разделением смесей газов и жидкостей, смешиванием веществ и т. п. Процессы массообмена — важнейшая стадия химической промышленной реакции, они часто бывают как бы прелюдией самого химического превращения.
Вторая проблема, о которой мы уже говорили, тоже связанная с переносом частиц, — это доставка исходных веществ к месту их взаимодействия.
Например, для промышленного получения серной кислоты надо сначала растворить сернистый газ в воде, затем обеспечить встречу молекул с кислородом на поверхности находящегося в водной фазе твердого катализатора, и только после этого начнет образовываться серная кислота.
Третья проблема — подвод и отвод тепла. Известно, что многие химические процессы идут при нагревании, часто в ходе процесса выделяется или поглощается тепло реакции. Поэтому перенос тепла — важное условие успешного ведения реакции.
Конечно, все эти проблемы — подвод продуктов к месту реакции, скорость реакции, выделение и отвод тепла — тесно связаны между собой. Ведь чем выше скорость реакции, тем больше выделяется тепла. В свою очередь, скорость химической реакции зависит от количества подводимых в единицу времени продуктов. Если скорость велика, все молекулы успевают прореагировать.
Наконец, все эти проблемы связаны с изучением законов течения жидкостей и газов. В самом деле, химическая реакция и сопутствующий ей перенос реагентов, тепла и разделение веществ происходят в огромных аппаратах. Их работа будет эффективна только в том случае, если подача реагентов и их перемешивание, отвод продуктов реакций будут происходить непрерывно и с достаточно большой скоростью. Реакции идут чаще всего в жидкой или газообразной фазе, поэтому, чтобы обеспечить такой режим, надо знать законы течения жидкостей и газов в химических аппаратах.
Чтобы встряхнуть пробирку в лаборатории — а это есть простейший случай перемешивания, — эти законы знать не обязательно, но, когда место действия реакции — огромные, высотой с многоэтажный дом аппараты, без гидродинамики не обойтись.
Поэтому область науки, изучающая влияние движения жидкостей и газов на скорость химических реакции — физико-химическая гидродинамика,— является одной из главных составных частей макрокинетики.
Физико-химическая гидродинамика с каждым днем все больше вторгается в химическую технологию. По мере развития технического прогресса химики овладевают все новыми и новыми приемами увеличения эффективности химических процессов, и чаще всего эти приемы заводят реакцию в дебри физико-химической гидродинамики.
Вот пример. Один из важнейших приемов интенсификации химических превращений — проведение реакции в так называемом кипящем слое, или слое в состоянии псевдоожижения. В химический реактор засыпают катализатор в виде мелких частичек, размером, скажем, с дробинку. Реагирующая смесь жидкостей или газов подается снизу и прогоняется с такой скоростью, что частички катализатора приподнимаются и оказываются как бы взвешенными, парящими в потоке. Смесь жидкости или газа и твердых частиц катализатора совершает беспорядочное движение в реакторе, она как бы кипит. При этом значительно увеличивается контакт между катализатором и реагирующими веществами. И реакция идет очень быстро. Это влечет за собой еще одну выгоду: можно делать аппараты маленького размера — всего два-три метра по диаметру и высоте.
Нетрудно представить себе, что без предварительного учета законов гидродинамики такой процесс спроектировать невозможно. Физико-химическая гидродинамика — молодая наука. Только в самые последние годы мы научились «понимать» некоторые элементарные акты, происходящие в химических аппаратах.
Автор: А. Левич.