Макроскопічна кінетика
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Коли ми хочемо сказати, що з двох речовин — А і В виходять дві нових речовини — С і D ми складаємо рівняння реакції: А + В – С + D. При цьому мається на увазі, що ми маємо справу лише з чотирма учасниками подій, і відносини між ними, і тільки між ними, впливають на хід реакції. На жаль, у реальних умовах все йде набагато складніше.
Молекули А і В можуть вступити в хімічну реакцію, по-перше, тільки при зіткненні, а по-друге, лише в тому разі, якщо їх швидкість, а точніше, їх енергія, досить велика. Іншими словами, А і В повинні мати енергію, що перевищує енергію активації, яка необхідна молекулам, щоб подолати взаємне відштовхування.
Тільки дуже невелика частина молекул має енергію більшу, ніж енергія активації. Тому зустрічі таких активних молекул відбуваються досить рідко, і хімічна реакція, можлива в принципі, фактично протікає вкрай повільно. Як можна прискорити таку реакцію?
Перший, найпростіший шлях — підвищити температуру в реакторі. Число швидко рухомих молекул зросте, взаємні зустрічі активних частинок стануть відбуватися значно частіше, і реакція піде швидше.
Другий шлях — застосувати каталізатор, речовину, яка допомагає з’єднуватися навіть не дуже активним молекулам. Реакція буде йти з великою швидкістю при невисокій температурі. Реакції другого типу — йдуть з застосуванням каталізаторів — відіграють в сучасній хімії, і насамперед у хімічній промисловості, основну роль. Каталітичні реакції бувають двох типів: гомогенні, що йдуть рівномірно по всьому об’єму реактора, і гетерогенні, що відбуваються на поверхні каталізатора. Промислові реакції є, як правило, гетерогенними.
Здавалося б, все добре: ми домоглися, чого хотіли, — великої швидкості реакції. Так, добилися. Але якою ціною? Введення в реакцію нової дійової особи — каталізатора спричинило за собою нову проблему. Як добитися зустрічі трьох дійових осіб — двох реагуючих молекул і поверхні каталізатора, коли швидкість молекул так велика, що їм важко зустрітися навіть вдвох?
Гетерогенна реакція йде в три стадії: перша стадія — доставка реагуючих частинок до каталізатора, друга стадія — хімічне перетворення на поверхні каталізатора і третя стадія — відведення продуктів реакції.
І виходить, що власне реакція — та, про яку ми писали спочатку, — виявляється в полоні першої і третьої стадій; вони стають головними в процесі, вони лімітують її швидкість, від них залежить ефективність хімічного процесу.
На зорі хімічної індустрії, коли ми не володіли потужними каталізаторами і доводилось тому задовольнятися повільними швидкостями процесів, можна було нехтувати такими «нехімічними» факторами, як доставка реагуючих молекул і відведення продуктів реакції. Але сучасна хімічна промисловість «взяла на озброєння» величезні швидкості, і стадія доставки речовин до місця реакції, стадія, зовсім нецікава з чисто хімічного боку, перетворюється на головний етап, що лімітує загальну швидкість процесу.
Вивчення швидкості хімічного процесу з урахуванням його «нехімічних» стадій і є завдання макрокінетики. Ця загальна задача розпадається на кілька приватних проблем.
Перша проблема пов’язана з процесами масообміну: розчиненням газів і твердих тіл в рідинах, поділом сумішей газів і рідин, змішуванням речовин і т. п. Процеси масообміну — найважливіша стадія промислової хімічної реакції, вони часто бувають як би прелюдією самого хімічного перетворення.
Друга проблема, про яку ми вже говорили, теж пов’язана з перенесенням частинок, — це доставка вихідних речовин до місця їх взаємодії.
Наприклад, для промислового отримання сірчаної кислоти треба спочатку розчинити сірчистий газ у воді, потім забезпечити зустріч молекул з киснем на поверхні, що знаходиться у водній фазі твердого каталізатора, і тільки після цього почне утворюватися сірчана кислота.
Третя проблема — підведення і відведення тепла. Відомо, що багато хімічних процесів відбуваються при нагріванні, часто в ході процесу виділяється або поглинається тепло реакції. Тому перенесення тепла — важлива умова успішного ведення реакції.
Звичайно, всі ці проблеми — підведення продуктів до місця реакції, швидкість реакції, виділення та відведення тепла — тісно пов’язані між собою. Адже чим вища швидкість реакції, тим більше виділяється тепла. У свою чергу, швидкість хімічної реакції залежить від кількості продуктів, що підводяться в одиницю часу. Якщо швидкість велика, всі молекули встигають відреагувати.
Нарешті, всі ці проблеми пов’язані з вивченням законів течії рідин і газів. У самій справі, хімічна реакція і супутній їй перенесення реагентів, тепла і розділення речовин відбуваються у величезних апаратах. Їх робота буде ефективна лише в тому випадку, якщо подача реагентів і їх перемішування, відведення продуктів реакцій будуть відбуватися безперервно і з досить великою швидкістю. Реакції йдуть найчастіше в рідкій або газоподібній фазі, тому, щоб забезпечити такий режим, треба знати закони течії рідин і газів у хімічних апаратах.
Щоб струсити пробірку в лабораторії — а це є найпростіший випадок перемішування, — ці закони знати не обов’язково, але, коли місце дії реакції — величезні, висотою з багатоповерховий будинок апарати, без гідродинаміки не обійтися.
Тому галузь науки, що вивчає вплив руху рідин і газів на швидкість хімічних реакції — фізико-хімічна гідродинаміка,— є однією з головних складових частин макрокінетики.
Фізико-хімічна гідродинаміка з кожним днем все більше вторгається в хімічну технологію. У міру розвитку технічного прогресу хіміки опановують все новими і новими прийомами збільшення ефективності хімічних процесів, і найчастіше ці прийоми заводять реакцію в нетрі фізико-хімічної гідродинаміки.
Ось приклад. Один з найважливіших прийомів інтенсифікації хімічних перетворень — проведення реакції в так званому киплячому шарі, шарі або в стані псевдозрідження. У хімічний реактор засипають каталізатор у вигляді дрібних частинок, розміром, скажімо, з дробинку. Реагуюча суміш рідин або газів подається знизу і проганяється з такою швидкістю, що частинки каталізатора піднімаються і виявляються як би виваженими, ширяючими в потоці. Суміш рідини або газу і твердих частинок каталізатора здійснює безладний рух в реакторі, вона як би кипить. При цьому значно збільшується контакт між каталізатором і реагуючими речовинами. І реакція йде дуже швидко. Це тягне за собою ще одну вигоду: можна робити апарати маленького розміру — всього два-три метри по діаметру і висоті.
Неважко уявити собі, що без попереднього врахування законів гідродинаміки такий процес спроектувати неможливо. Фізико-хімічна гідродинаміка — молода наука. Тільки в самі останні роки ми навчилися «розуміти» деякі елементарні акти, що відбуваються в хімічних апаратах.
Автор: А. Левич.