Классификация химических реакций

Химические реакции, протекающие в промышленных процессах, отличаются большим разнообразием. Обычно в химическую реак­цию одновременно вступает несколько веществ, при этом происхо­дит изменение их физических и химических свойств. Все встреча­ющиеся на практике химические реакции классифицируются по типу механизма химического.превращения, по условиям проведения реакции, по фазовому состоянию реагентов, по наличию-или отсут­ствию катализатора.

По типу механизма превращения химические реакции делятся на простые, сложные, параллельные и последовательные. Все э.ти реакции, кроме того, могут быть обратимыми и необратимыми. Для-зап'иси механизма реакции, используются стехиометрические урав­нения, в которых химические формулы взаимодействующих "веществ можно заменить условными обозначениями.

Стехиометрическое уравнение простой необратимой реакции с двумя взаимодействующими реагентами в общем виде записывает-, ся так:

аА + ЬВ-*сС,                                (20.1)

где А и В — символы исходных веществ,'С — символ продукта ре­акции, а, Ь, с—-стехиометрические коэффициенты. Стехиометриче-

214

ские коэффициенты показывают, что в результате химического вза­имодействия а молекул вещества А и Ь молекул вещества В обра­зуется с молекул вещества С.

Примером простой необратимой реакции служит реакция гаше­ния извести СаО водой в производстве кальцинированной соды: СаО+Н₂0-ИЗа(ОН)₂. Все стехиомётрические коэффициенты этой реакции равны единице: а=& = с=1, а символами А, В и С услов­но обозначаются исходные вещества СаО и Н₂0 и продукт реакции Са(ОЙ)_а.

В простых реакциях одно из исходных- веществ, например А, полностью превращается в продукт реакции С. При этом концен­трация А уменьшается от начального значения до нуля. Процесс обычно проводится таким образом, чтобы более дорогое из исход­ных веществ перерабатывалось в продукт реакции полностью. Для этого создается более высокая концентрация второго из взаимодей­ствующих компонентов, стоимость которого ниже.

Механизм параллельной реакции взаимодействия двух исходных веществ отражается стехиометрическим уравнением вида

сС
ctA + вв       , (20.2)

;                                           "^ z ? ;

где С и D — два различных продукта взаимодействия исходных ре­агентов А и В. Целевым продуктом реакции является одно из ве­ществ— С или D . Исходные вещества в параллельных реакциях мо­гут реагировать одновременно по двум-трем направлениям с обра­зованием различных продуктов взаимодействия.

По схеме параллельной реакции происходит окисление аммиака NH₃кислородом воздуха в производстве азотной кислоты HNCV

4NH₃+ 50_г -» 4NO+6Н₂0

, 4NH₃+40₂-2N₂0-f-6H₂0

4NH₈+30i — 2N₂+6H₂0

Целевым продуктом является только оксид азота N0, который поступает на дальнейшую переработку. Однако наряду с образова-яием N0 идут еще две реакции, в результате которых получаются диоксид азота N₂0 и молекулярный азот N₂.

Сложные реакции с последовательным механизмом превращения протекают по схеме

. aA + bB ^ tC — ' dD .                          (20.3)

Сначала из исходных веществ А и В образуется промежуточное ве­щество С, которое затем превращается в целевой продукт D . Вто­рая ступень реакции —превращение С в D — может происходить с участием одного из исходных веществ — А или В.

215

Примером реакции с последовательным механизмом превраще­ния может служить реакция нейтрализации фосфорной кислоты Н₃Р0₄ аммиаком NH₃с целью получения аммофоса (NH₄)₂HP0₄ в производстве комплексных удобрений: H₃P0₄-r-NH3-»-NH₄H₂P0₄+ +NH₃->-(NH₄)₂HP0₄. В принятых обозначениях промежуточным ве­ществом С является моноаммонийфосфат NH₄H₂P0₄₍который по­сле взаимодействия с NH₃образует целевой продукт — аммофос.

В химической технологии очень часто встречаются обратимые реакции. Например, для получения водорода Н₂ в промышленности применяется реакция взаимодействия оксида углерода СО с водя­ным паром: СО+Н₂Оч*Н2+С0₂|. Оксид углерода вступает в хи­мическое взаимодействие с парами воды, образуя молекулярный водород и углекислый газ. Продукты реакции также способны вза­имодействовать, причем продуктами взаимодействия являются СО и Н₂0. Прямое и обратное направления реакции принято обозначать двумя стрелками, направленными вправо и влево.

Условное обозначение исходных веществ и продуктов реакции позволяет записать механизм обратимой реакции в следующем виде:

aA + bB ^ lcC + dD .                            (20.4)

Обратимые реакции отличаются от необратимых тем, что полу­ченные в результате реакции продукты С и D способны вступать в реакцию, образуя исходные, вещества А и В. Обратимая реакция протекает как в прямом, так и обратном направлении.

В начале процесса концентрации исходных веществ А и В ве­лики, поэтому скорость прямой реакции высока. По мере расходо­вания'Л и В.и накопления продуктов С и D скорость прямой.реак­ции снижается, а скорость обратной реакции растет. Начиная с оп­ределенного момента наступает такое состояние, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными. Такое состояние называется химическим равновесием.

Выход продуктов, достигаемый при равновесии, называется рав­новесным. Изменяя условия проведения процесса, можно смещать равновесие процесса вправо или влево. При этом действует прин­цип Ле-Шателье, который формулируется «так: если на систему, на­ходящуюся в состоянии равновесия, воздействовать извне, то равно­весие смещается таким образом, чтобы ослабить эффект воздейст­вия.

В качестве факторов, оказывающих влияние на сдвиг равнове­сия обратимой реакции, рассматриваются температура, давление, концентрации веществ, участвующих в реакции.

По условиям проведения реакции делятся на изотермические, протекающие при постоянной температуре, и неизотермические, в которых температура процесса непостоянна. Изменение температу­ры реакции может быть вызвано выделением или поглощением теп­лоты, сопровождающим химическое взаимодействие реагентов. Если химическая реакция сопровождается выделением теплоты, .- то она называется экзотермической. Все реакции горения являются экзо-

246

термическими. Рассмотренная реакция окисления аммиака до окси­да азота идет с выделением теплоты: 4NH₃+502->4NO+Q. Вели­чина Q в стехиометрическом уравнении служит для обозначения теплового эффекта реакции.

Реакции, которые сопровождаются поглощением теплоты, на­
зываются эндотермическими. Эндотермической является, например,
реакция образования генераторного газа: С+НгОч^СО+Нг—Q.
В этой реакции теплота поглощается, поэтому величина Q входит
в стехиометрическое уравнение со знаком минус. В эндотермических
реакциях величина Q называется отрицательным тепловым эф­
фектом,                                                                                           ^i

Тепловой эффект реакции вызывает изменение температуры ре­акционной смеси в аппарате. Чтобы реакция, сопровождающаяся поглощением или выделением тепла, проходила в изотермических условиях, необходимо регулировать температуру процесса, подво­дя или отводя необходимое количество теплоты. Знание теплового эффекта реакции Q необходимо для составления теплового балан­са при тепловом расчете химического реактора.

По фазовому состоянию реагентов реакции бывают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В гомогенных реак­циях все взаимодействующие вещества находятся в одной фазе — газовой, жидкой или твердой. Зоной реакции при проведении гомо­генных реакций служит весь реакционный объем. В гетерогенных процессах реагенты, принимающие участие в реакции, находятся в разных фазах. В реакционном объеме одновременно находятся две или более фазы, а химическая реакция протекает на границе раз­дела фаз или в объеме одной из фаз. Гетерогенные двухфазные ре­акции в зависимости от агрегатного состояния исходных веществ бывают следующих типов:

1. Реакции в системе газ — твердое тело.

В таких условиях происходит реакция сжигания угля: С+С>2->--*-С0₂. Твердая фаза — углерод С, взаимодействуя с газообраз­ным кислородом, дает также газообразный продукт реакции — СОг.

2. Реакции между двумя несмешивающимися жидкостями.
Примером может служить реакция нитрования толуола СбНбСНз

азотной кислотой: CeHsCHa+HNOs-^CeHsCHjNOz+HzO; в ней оба исходных вещества — толуол и азотная кислота — являются взаимо­нерастворимыми жидкостями.

3. Реакции в системе газ — жидкость.

В процессе поглощения серного ангидрида S0₃водой с образова­нием серной кислоты участвуют газовая и жидкая фазы. Продуктом реакции также является жидкость: SO3+H2O-VH2SO4.

4. Реакция между жидкой и твердой фазами.

Реакция между серной кислотой и оксидом меди служит при­мером гетерогенной реакции жидкость — твердая фаза: H2SO4+ 4- 2CuO->CuS0₄+Н₂0.

Кроме двухфазных бывают гетерогенные реакции, в которых участвуют одновременно три фазы — газ, жидкость и твердое тело.

8 — 2063

217

По наличию или отсутствию катализатора химические реакции подразделяются на каталитические и не каталитические. Катали­тические реакции проводятся в присутствии катализаторов — ве­ществ, которые, вступая в промежуточное химическое взаимодей­ствие с участниками реакции после каждого цикла, восстанавли­вают свой состав и изменяют скорость реакции.

Различают положительный и отрицательный катализ. Если ка­тализатор ускоряет реакцию, такое химическое явление называет­ся положительным катализом или просто катализом. Отрицатель­ным катализом называется явление уменьшения скорости протека­ния химических процессов под действием специальных веществ — ингибиторов. Основное значение в химической технологии имеет положительный катализ.

Каталитические реакции лежат в основе производства серной и азотной кислот, аммиака, водорода, процессов получения поли­меров и переработки нефти. Без катализаторов невозможно полу­чение важнейших продуктов в промышленном масштабе.

Катализ подразделяется на гомогенный и гетерогенный. В случае гомогенного катализа катализатор растворен в массе ре­агентов и не образует отдельной фазы, а каталитическим действи­ем обладают отдельные молекулы или ионы катализатора. Гете­рогенный катализ характеризуется тем, что катализатор образует самостоятельную фазу, а каталитическим действием обладают или отдельные центры на поверхности катализатора, или вся поверх­ность катализатора.

В некоторых реакциях каталитическое действие может оказы­вать один из продуктов, образующихся в процессе химического превращения вещества. Такие каталитические реакции называют­ся автокаталитическими, а явление носит название автокатализа.

⇐ Предыдущая36373839404142434445Следующая ⇒

Поделиться: