1.2. Цели и задачи курса.

Дисциплина “Термодинамика функционирующего катализатора” предназначена для студентов и магистрантов кафедры катализа и адсорбции ФЕН НГУ.

Основная цель изучения дисциплины - освоить методологию описания состояния функционирующего катализатора и его реконструкции под действием реакционной среды в зависимости от термодинамических параметров, описывающих катализатор и реагенты.

Для достижения поставленной цели выделяются задачи углубленного анализа стационарного состояния катализатора в ходе протекания каталитической реакции.

1.3. Требования к уровню освоения содержания курса.

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

иметь представление о возможных типах реконструкции катализатора под воздействием реакционной среды;
знать методы математического описания вышеупомянутой реконструкции в стационарных условиях;
уметь находить скорость-лимитирующую стадию и энергию активации каталитического процесса для заданной схемы каталитических превращений как функцию термодинамических параметров, описывающих катализатор, реагенты и каталитические интермедиаты.

1.4. Формы контроля

Итоговый контроль: Дифференциальный зачет по результатам письменной контрольной работы.
Текущий контроль: Не предусмотрен.

• 2.1. Новизна курса. Курс полностью новый и не имеет аналогов.

• 2.2. Тематический план курса (распределение часов).

• 2.3 Содержание отдельных разделов и тем. Развернуть>>>
  1. • Особенности функционирующего катализатора как объекта термодинамики.
     • Неравновесность состояния катализатора в ходе каталитического процесса.
     • Влияние реакционной среды и особенности термодинамического состояния катализатора и каталитических интермедиатов в ходе каталитической реакции.
     • Равновесная и неравновесная реконструкции катализатора под действием реакционной среды.
  2. • Особенности термодинамики высокодисперсных систем в приложении к катализу.
     • Избыточная поверхностная энергия и поверхностное натяжение.
     • Равновесная форма микрочастиц, нанесенных на подложку.
     • Смачиваемость и “сильное взаимодействие активный компонент-подложка”.
     • Влияние диспергирования вещества на фазовые равновесия.
     • Сегрегация составляющих компонентов в частице каталитически активного компонента.
     • Фазовые переходы при высокой температуре функционирования катализатора.
     • Термодинамическая устойчивость поверхности при наличии хемосорбции.
     • Микрофасетирование поверхности.
  3. • Особенность параметра “температура” в приложении к функционирующему катализатору.
     • Возможность отличия температуры активного компонента от температуры гранулы катализатора.
     • Методы экспериментального измерения реальной температуры активного компонента функционирующего катализатора.
  4. • Основные задачи физической химии в приложении к функционирующему катализатору.
     • Каталитические реакции как сопряженные химические процессы.
     • Микрокинетическое описание каталитических процессов.
     • Активные центры катализатора и множественность их форм.
     • Термодинамические движущие силы в каталитическом процессе.
     • Термодинамическое описание брутто-реакций.
  5. • Использование понятия химического потенциала для описания состояния функционирующей каталитической системы.
     • Совместный кинетико-термодинамический анализ протекания каталитической реакции и неравновесного состояния катализатора.
     • Внешние и внутренние переменные.
     • Интермедиаты.
     • Скорость-определяющая стадия реакции.
     • Кинетическая необратимость элементарных реакций и ее связь с термодинамикой.
  6. • Устойчивые и неустойчивые стационарные состояния катализатора.
     • Множественность стационарных состояний.
     • Стационарный химический потенциал интермедиатов.
     • Термодинамические критерии достижения и устойчивости стационарных состояний.
     • Необходимые условия для отсутствия устойчивости стационарного состояния.
     • Проявления неравновесности для устойчивых стационарных состояний катализатора.
     • Изменение условий сосуществования фаз в ходе химической реакции.
     • Первичное обогащение высокоактивной фазой в ходе реакции.
     • Равновесная и неравновесная реконструкция поверхности катализатора.
     • Плавление активного компонента катализатора в ходе реакции.
  7. • Совместный кинетико-термодинамический анализ простейших каталитических процессов.
     • Нахождение скорость-лимитирующих стадий и скорость-определяющих параметров при стационарном протекании реакции.
     • Возможность независимости стационарной скорости каталитической реакции от стандартных термодинамических характеристик промежуточных состояний.
     • Кажущаяся энергия активации каталитического процесса.
     • Энергетические корреляции в катализе.
  8. • Особенности применения понятия переходного состояния в катализе.
     • Время жизни переходного состояния.
     • Понятие реакционного комплекса.
  9. • Сопряжение каталитических процессов.
     • Модифицированные уравнения Онзагера для каталитических превращений с общими интермедиатами.
     • Связь селективности многоканальных каталитических процессов с термодинамическими движущими силами в системе.
  10. • Адсорбция как элемент гетерогенного процесса.
      • Равновесный и неравновесный химические потенциалы сорбированных молекул.
      • “Сильная адсорбция” и кинетическая необратимость адсорбционных процессов.
  11. • Неустойчивые состояния катализатора и каталитической системы.
      • Временные и пространственно-временные диссипативные структуры в каталитических системах.
      • Примеры схем с множественностью и неустойчивостью стационарных состояний.
      • Реакция Белоусова–Жаботинского как пример неустойчивой гомогенной каталитической системы.
      • Осцилляции изотермической скорости гетерогенных каталитических реакций и химические волны на поверхности катализатора.
  12. • Реконструкция катализатора и его эволюция.
      • Движущие силы реконструкции функционирующего катализатора.
      • Пребиотическая эволюция катализаторов, способных к саморепликации.
      • Жизнь как форма существования катализатора.
  13. • Влияние размера активного компонента на скорость каталитической реакции.
      • Влияние растворения одного из реагентов реакции в активном компоненте на скорость и селективность каталитической реакции.
      • Влияние диспергирования активного компонента на скорость гетерогенной реакции с нерастворимыми компонентами.

• 2.4. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы (см. раздел 3.3).

3.1. Темы рефератов или курсовых работ не предусмотрены.

3.2. Образцы вопросов для подготовки к дифференцированному зачету:

1. Найти состав поверхности активного компонента, состоящего из сплава Ni и Cu с объемным мольным составом 1 : 1.
2. Найти максимально возможный перегрев платиновых частиц размером 10 нм, катализирующих окисление метана, по отношению к средней температуре гранул.

3.4. Список основной и дополнительной литературы.

1. Бажин Н.М., Иванченко В.А., Пармон В.Н. Термодинамика для химиков (часть 3), - М: Химия, 2000.
2. Бажин Н.М., Иванченко В.А., Пармон В.Н. Термодинамика для химиков (часть 3), - М: КолосС, 2004.
3. Пармон В.Н. Введение в термодинамику неравновесных процессов. - НовосибирскЖ НГУ, 1998.
4. Parmon V.N., Catalysis and Nonequilibrium Thermodynamics, Catalysis Today, 1999, v. 51, p. 435.
5. Боресков Г.К., Гетерогенный катализ. - М: Наука, 1986.
6. Somorjai G. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis. - N.Y.: Wiley, 1997.
7. Handbook of Heterogeneous Catalysis (Eds. G.E. Ertl et al.), Vol. 3, Weinheim, Wiley-VCH, 1997.
8. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. - М.: Издатинлит, 1960.
9. Рубин А.Б. Биофизика, т.1. - М.: Высш.шк., 1987.
10. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979.
11. Базаров И.П. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика. - М.: МГУ, 1979.
12. Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высш.шк., 1991.
13. Булатов Н.К., Лундин А.Б. Термодинамика необратимых физико-химических процессов. - М.: Химия, 1984.