Порядки гетерогенно-каталитических реакций

Рассмотрим реакцию, протекающую на поверхности катализатора:

n_АА+n_ВВ = n_СС+n_DD.

Пусть процессы массопереноса не тормозят реакцию; поверхность катализатора равнодоступна; все вещества – газы. Так как реакция протекает на поверхности катализатора, то в уравнение формальной кинетики должны входить не парциальные давления реагентов, а обычно неизвестные концентрации реагентов на поверхности катализатора. Поэтому Лэнгмюр предложил использовать в этом случае вместо закона действующих масс аналогичный закон действующих поверхностей, согласно которому

, (5.70)

где q _А, q _В ,...– доля поверхности катализатора, занятая соответствующим компонентом; q ₀ – доля свободной поверхности; D n – разность между числом образующихся и вступающих в реакцию молекул. Множитель q ₀^{D n}– учитывает необходимость наличия на поверхности свободных мест для размещения продуктов реакции. Если D n £ 0, то этот множитель приравнивается единице.

Рассмотрим, как влияет адсорбция на кинетическое уравнение скорости гетерогенно-каталитической реакции.

Если лимитирующей стадией суммарного процесса является химическая реакция на поверхности катализатора, т.е. в адсорбционных стадиях устанавливается равновесие, тогда зависимость q_i от р_i может быть найдена по уравнению изотермы адсорбции этого компонента.

Для примера рассмотрим расчет скорости простейшей мономолекулярной гетерогенной каталитической реакции:

А ® В.

В этом случае D n = 0, и скорость процесса v = kq _А. Зависимость равновесной степени покрытия поверхности катализатора компонентом А, т.е. от p _А по теории Лэнгмюра, выражается формулой:

, (5.71)

где b _А и b _В – адсорбционные коэффициенты веществ А и В, тогда скорость процесса:

, (5.72)

где k ₁ = k × b _А.

Это уравнение позволяет качественно объяснить наблюдаемые на опыте зависимости кинетического порядка реакции от типа химического взаимодействия реагентов на поверхности катализатора.

1. Если адсорбция вещества Аслабая (b _А<< 1), а продукты реакции не сорбируются катализатором (b_Bp_B = 0), то b_A∙p_A+b_B∙p_B <<1, поэтому скорость реакции равна:

v = k ₁ p _A, (5.73)

то есть порядок мономолекулярной реакции равен 1.

2. При сильной адсорбции исходного вещества b_Ap _A>>1, когда продукт реакции В адсорбируется слабо или вообще не адсорбируется, скорость гетерогенной каталитической реакции равна:

, (5.74)

то есть наблюдается нулевой порядок реакции по реагирующему веществу А.

3. При средних значениях адсорбции исходного вещества, в соответствии с уравнением (5.72), порядок реакции должен быть дробным.

4. Если образующийся продукт реакции Всильно адсорбируется, а адсорбция вещества А слабая, то b_B·р_B >>(1 + b_A·р_A), тогда:

, (5.75)

где . В таких случаях порядок реакции по реагирующему веществу первый, но процесс тормозится образующимися при реакции веществами.