1.1. Название курса: Катализ

Реализуется в рамках специальности "Катализ и адсорбция", относится к естественно-научным специальным дисциплинам и вузовской компоненте.

1.2. Цели и задачи курса.

Дисциплина "Катализ" предназначена для студентов старших курсов Новосибирского государственного университета, прослушавших курсы фундаментальных дисциплин по неорганической, органической, аналитической и физической химии.

Основной целью освоения дисциплины является получение студентами теоретических знаний по катализу и адсорбции на современном уровне и во взаимосвязи с другими науками.

Курс построен, основываясь на современной концепции единства явлений гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа.

При феноменологическом описании явлений катализа излагаются основные причины возникновения каталитических эффектов, вводятся понятия активного центра катализатора и каталитического цикла. Рассматриваются формы промежуточных химических взаимодействий при катализе, явления химической активации веществ. Даются представления об особенностях каталитической активации веществ с участием газообразных, жидких и твердых катализаторов. Дальнейший курс построен на фактологическом описании принципов каталитического действия катализаторов разной природы: кислот и оснований, цеолитов, комплексов переходных металлов, твердых окислов, металлов, сульфидов металлов, твердых металлоорганических систем, кластеров металлов, некоторых металлоферментов. Даются сведения о механизмах протекания на этих катализаторах наиболее важных процессов: гидролиза, изомеризации, полного и парциального окисления, гидрирования, карбонилирования, полимеризации олефинов, восстановительной олигомеризации окиси углерода, синтеза аммиака, гидроочистки и реформинга, синтеза метанола, серной кислоты и ряда других веществ.

Специальный раздел курса посвящен освещению вопросов предвидения каталитического действия, прогнозирования состава активных центров и методов их конструирования. Рассмотрены исторические этапы развития теоретических представлений в катализе, современные тенденции в развитии методов поиска катализаторов. Даются сведения о роли компьютерной техники в реализации этих подходов.

1.3. Требования к уровню освоения содержания курса

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:
понимать сущность явления катализа, причины ускорения и возбуждения химических реакций под влиянием катализаторов;
знать принципы каталитического действия для основных классов каталитических реакций: кислотно-основный катализ, металлокомплексный катализ, катализ металлами, оксидами и сульфидами;
знать основные направления развития теоретических представлений о предвидении каталитического действия.

1.4. Формы контроля

Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен экзамен
Текущий контроль. Обязательное посещение лекций. В течение семестра проводится коллоквиум (1 раз в семестр). Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов.

2.1. Новизна курса (научная, содержательная; сравнительный анализ с подобными курсами в России и за рубежом) его актуальность - для дисциплин специальной подготовки.
Курс оригинальный, в подобном объеме и структуре в других вузах или за рубежом не читается.

2.2. Тематический план курса (распределение часов).

2.3. Содержание отдельных разделов и тем.

• Основные особенности и значение явлений катализа, его сущность; роль катализа в становлении и развитии современной промышленности; формы промежуточного взаимодействия катализаторов с реагентами в случае катализа в газовой и жидкой фазах, а также на поверхности твердых тел.
• Принципы каталитического действия кислот и оснований, роль протонированных и депротонированных структур в кислотно-основном катализе, энергетика переноса протона на поверхности твердых тел, молекулярно-ситовой катализ, характерные процессы, катализируемые гомогенными и гетерогенными кислотными катализаторами.
• Принципы каталитического действия комплексов металлов, комплексообразование как основная стадия, приводящая к активации реагирующих молекул, основные ключевые стадии перегруппировок металлоорганических соединений, каталитический цикл как последовательность ключевых стадий, правила для циклов, матричный эффект, механизмы реакций гидрирования, метатезиса, окисление, фиксация молекулярного азота, метана, кластерные металлоферментные катализаторы.
• Катализ металлами, основные факторы, определяющие активность металлов, зависимость каталитических свойств от дисперсности, катализ сплавами, важнейшие каталитические процессы на металлических катализаторах.
• Катализ окислами, классификация механизмов каталитического окисления, процессы полного и парциального окисления, роль активации углеводородов в реакциях селективного окисления, важнейшие промышленные процессы окисления.
• Гетерогенные металлоорганические катализаторы, катализаторы Циглера-Натта, механизмы стереорегулирования, суспензионная и газофазная полимеризация, полимеризация металлоценами, процессы метатезиса олефинов.
• Катализ сульфидами, явления синергизма при катализе смешанными сульфидами, представления о структуре активного компонента, условия процессов гидроочистки, основные реакции, протекающие при гидроочистке.
• Основы предвидения каталитического действия, исторические этапы развития теоретических представлений в катализе, современные тенденции в развитии методов поиска катализаторов, роль ЭВМ в реализации этих подходов.
• Основные особенности и значение явлений катализа, его сущность; роль катализа в становлении и развитии современной промышленности, рассматриваются формы промежуточного взаимодействия катализаторов с реагентами в случае катализа в газовой и жидкой фазах, а также на поверхности твердых тел.
• Принципы каталитического действия кислот и оснований, роль протонированных и депротонированных структур в кислотно-основном катализе, энергетика переноса протона на поверхности твердых тел, молекулярно-ситовой катализ, характерные процессы, катализируемые гомогенными и гетерогенными кислотными катализаторами.
• Принципы каталитического действия комплексов металлов, комплексообразование как основная стадия, приводящая к активации реагирующих молекул, основные ключевые стадии перегруппировок металлоорганических соединений, каталитический цикл как последовательность ключевых стадий, правила для циклов, матричный эффект, механизмы реакций гидрирования, метатезиса, окисление, фиксация молекулярного азота, метана, кластерные металлоферментные катализаторы.
• Катализ металлами, основные факторы, определяющие активность металлов, зависимость каталитических свойств от дисперсности, катализ сплавами, важнейшие каталитические процессы на металлических катализаторах.
• Катализ окислами, классификация механизмов каталитического окисления, процессы полного и парциального окисления, роль активации углеводородов в реакциях селективного окисления, важнейшие промышленные процессы окисления.
• Гетерогенные металлоорганические катализаторы, катализаторы Циглера-Натта, механизмы стереорегулирования, суспензионная и газофазная полимеризация, полимеризация металлоценами, процессы метатезиса олефинов.
• Катализ сульфидами, явления синергизма при катализе смешанными сульфидами, представления о структуре активного компонента, условия процессов гидроочистки, основные реакции, протекающие при гидроочистке.
• Основы предвидения каталитического действия, исторические этапы развития теоретических представлений в катализе, современные тенденции в развитии методов поиска катализаторов, роль ЭВМ в реализации этих подходов.

2.4. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы (в объеме часов, предусмотренных образовательным стандартом и рабочим учебным планом данной дисциплины). - по п. 2.3.

3.2. Темы рефератов (курсовых работ), если это предусмотрено учебным планом при освоении дисциплины. Список примерных тем обязательно прилагается. Рефераты не предусмотрены.

3.3. Образцы вопросов для подготовки к экзамену

• Катализатор как индивидуальное химическое вещество и как смесь химических веществ. Основные компоненты катализатора. Понятие об активном компоненте катализатора. Понятие об активном центре, его окружении и носителе.
• Классификация катализаторов на основе их химического состава. Классификация катализаторов на основе фазового состояния компонентов. Классификация каталитических процессов.

• Основные причины каталитического действия. Формы промежуточного химического взаимодействия при катализе. Активация реагентов при взаимодействии с активным центром, сближение реагентов при взаимодействии с активным центром, снятие запрета по симметрии. Роль энергетического и структурного факторов при взаимодействии реагирующих веществ с катализатором.
• Гомогенный катализ кислотами и основаниями в растворе. Роль протонированных и депротонированных структур в кислотно-основном катализе. Скорость реакций переноса протона в растворе. Специфический и общий катализ. Кинетика кислотно-основных каталитических реакций. Соотношение Бренстеда.
• Образование металлоорганического соединения как типичная стадия механизмов каталитических процессов с участием металлокомплексов. Основные ключевые стадии перегруппировок металлоорганических соединений: окислительное присоединение, восстановительное элиминирование, внедрение, реакции сдвига. Каталитический цикл как последовательность ключевых стадий. Правила Хиггинсона, Пирсона и Толмана для цикла. Матричный эффект.
• Правило Г.К. Борескова о примерном постоянстве удельной каталитической активности. Классификация реакций по М.Будару. Примеры структурно-чувствительных и структурно-нечувствительных реакций. Возможные причины влияния дисперсности на каталитические свойства.
• Реакции окисления и стадии механизма окисления органических соединений в присутствии металлокомплексных каталитических систем. Природа стадии активации кислорода. Гомо- и гетеролитический механизмы окисления. Окисление толуола в бензойную кислоту. Окисление олефинов в окиси олефинов. Два принципа действия металлокомплексных катализаторов окисления органических веществ молекулярным кислородом.
• Особенности активации молекулы кислорода твердыми оксидами. Реакции полного и селективного окисления. Применение теории поля лигандов (концепция энергии стабилизации кристаллическим полем) для объяснения каталитических свойств оксидов. Классификация механизмов каталитического окисления.
• Полимеризация олефинов на гетерогенных катализаторах. Механизм роста полимерной цепи. Число активных центров и их реакционная способность. Механизм стереорегулирования при изотактической и синдеотактической полимеризации.

3.4 Список основной и дополнительной литературы

1. Боресков Г.К. Катализ. Ч.1, 2. - Новосибирск, 1971.
2. Кузнецов В.И. Развитие учения о катализе. - М.: Наука, 1964. С. 423.
3. Кузнецов В.И. Развитие каталитического органического синтеза. - М.: Наука, 1964. С. 434.
4. Рогинский С.З. Гетерогенный катализ. Некоторые вопросы теории. - М.: Наука, 1979. С. 416.
5. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. - М.: Химия, 1974. С. 592.
6. Полторак О.М. Лекции по теории гетерогенного катализа. - М.: Изд-во МГУ, 1968. С.155.
7. Березин И.В., Мартинск К. Основы физической химии ферментативного катализа. - М.: Высш.шк., 1977.
8. Сетерфилд Ч. Практический курс гетерогенного катализа. - М.: Мир, 1984.
9. Хенрици-Оливэ Г., Оливэ С. Координация и катализ. - М.: Мир, 1980.
10. Накамура А., Цуцуи М. Принципы и применение гомогенного катализа. - М.: Мир, 1983.
11. Мастерс К. Гомогенный катализ переходными металлами. - М.: Мир, 1983.
12. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. - М.: Наука, 1986. С.303.
13. Кожевников И.В. Катализ кислотами и основаниями. - Новосибирск: Изд-во НГУ, 1991.

3.5. Для изучения дисциплин, которые предусматривают использование нормативно-правовых актов, указывать источник опубликования.