Гомогенные и гетерогенные реакции

Гомогенные реакции — это химические реакции, протекающие в одной фазе. Реагенты равномерно распределены в объёме^[1]. Скорость реакции зависит от природы веществ, их концентрации и температуры. В гомогенных системах реакция часто протекает во всем объёме одновременно. Термодинамически это означает, что все реагенты, продукты, а также катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии (газообразном, жидком или твёрдом, в случае идеальных твёрдых растворов)^[2].

• Газофазные реакции. Характеризуются высокой подвижностью молекул. Классические примеры включают цепные реакции, реакции нейтральных атомов и радикалов, а также термический крекинг углеводородов. Например, горение водорода в кислороде в закрытом сосуде. Молекулы H₂ и O₂ находятся в газовой фазе, и продукт — вода (пар) — находится в этой же газовой фазе до начала конденсации.

${\displaystyle {{\ce {2H2 {(г)}+ O2 {(г)}-> 2H2O {(г)}}}}}$.

• Жидкофазные реакции. К ним относятся химические реакции, протекающие между растворёнными веществами. В жидкости частицы-реагенты окружены молекулами растворителя^[3]. Например, взаимодействие кислоты и щёлочи (реакция нейтрализации):

${\displaystyle {{\ce {HCl + NaOH -> NaCl + H2O}}}}$.

Изучение гомогенных реакций проводится методами, позволяющими фиксировать изменение концентрации во времени без нарушения фазового состояния системы:

• статические методы (реакция протекает в замкнутом объёме с отбором проб или измерением физического свойства);
• проточные методы (методы идеального вытеснения и идеального смешения, позволяющие изучать быстрые реакции);
• релаксационные методы (например, метод температурного скачка, позволяющий исследовать кинетику исключительно быстрых гомогенных реакций)^[4].

Гетерогенные реакции — это химические реакции, протекающие между веществами, находящимися в разных фазах. Взаимодействие происходит только на поверхности раздела фаз, либо с участием твёрдого катализатора (гетерогенный катализ).. Скорость гетерогенной реакции зависит от площади контакта фаз. Чем мельче измельчено твёрдое вещество или чем лучше эмульгирована жидкость, тем быстрее идёт процесс^[5].

• Горение угля (твёрдое + газ). Кусок угля (C, твёрдое) горит в кислороде воздуха (O₂, газ). Реакция идёт только на поверхности угля. ${\displaystyle {{\ce {C {(тв)}+ O2 {(г)}-> CO2 {(г)}}}}}$. К реакциям такого типа также относятся: обжиг сульфидных руд, коррозия металлов и др.
• Реакции между несмешивающимися жидкостями. Омыление жиров щёлочью (производство мыла). Жир и водный раствор щёлочи образуют эмульсию, и реакция идёт на суммарной поверхности капель.
• Жидкость — твёрдое тело. Например, растворение металлов в кислотах, кристаллизация, ионный обмен. Взаимодействие цинка с раствором соляной кислоты: ${\displaystyle {{\ce {Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}}}}$^[6].
• Газ — жидкость. Например, абсорбция газов, то есть поглощение газообразного вещества жидкостью (абсорбция аммиака растворами азотной кислоты при производстве аммиачной селитры), очистка газовых смесей и др.
• Твёрдое тело — твёрдое тело. Например, реакции в твёрдой фазе, протекающие при спекании керамик или в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза^[7].

Гетерогенный катализ лежит в основе нефтепереработки (каталитический крекинг на цеолитах) и химического синтеза. Ключевые процессы, такие как синтез аммиака, окисление SO₂ в SO₃ и синтез Фишера — Тропша, являются гетерогенными.