Самостоятельная работа по дисциплине «Неорганическая химия»

Список литературы

1. Карапетьянц М. Х. Введение в теорию химических процессов. — М.: Высшая школа, 1981. 304 с.

2. Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия — М.: Высшая школа, 1999. 527 с.

3. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия — М.: Мир, 1978. 645 с.

4. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. — М.: Мир, 2002. 461 с.

5. Борисов И. М. Основы электрохимии: учеб. пособие. -Уфа: Изд-во БГПУ, 2009.- 115 с.

ТЕМА: ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ. КАТАЛИЗ И КАТАЛИЗАТОРЫ. ГОМОГЕННЫЙ И ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ СТАНДАРТНОМ ПОЛОЖЕНИИ ЭНТАЛЬПИЧЕСКИХ И ЭНТРОПИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ

План:

1. Вопросы теории и практики

2. Химия каталитических процессов
3. Катализ и производство катализаторов

Точно так же происходит и в химии. Свободная энергия Гиббса, также известная как химическая потенциальная энергия, указывает на то, превратятся ли одни химические соединения в другие.

Каждая химическая смесь имеет различную свободную энергию Гиббса в зависимости от ее температуры, давления и состава. Знание потенциальной энергии для каждого компонента в химической реакции позволяет инженерам определить, будут ли они реагировать и как.
Если потенциальная энергия продуктов больше, чем реагентов, то существует барьер для протекания этой реакции. Если потенциальная энергия продуктов меньше, чем реагентов, то реакция произойдет.
Точно так же, как яблоко падает с дерева на землю, так и химия хочет переместить реакцию в точку, минимизирующую потенциальную энергию.
Поэтому, когда инженеру необходимо «подтолкнуть» равновесную реакцию к получению определенного продукта, ему необходимо произвести манипуляции с химическим потенциалом смеси, изменяя ее температуру, внешнее давление и концентрацию компонентов.
Что такое закон скорости и как он соотносится с порядком реакции?
Законы скорости и порядки реакции описывают элементарные химические реакции.
Скорость представленной реакции зависит от концентрации белых и синих молекул
Обратимые реакции могут происходить так:
Одна молекула распадается на новые компоненты.
Две молекулы/атомы соединяются, образуя новые соединения.
Две молекулы/атомы соединяются под влиянием третьего компонента, образуя новые соединения.
К счастью, инженеры могут определить скорость неизвестных реакций на основе значений скорости для уже известных реакций. Таким образом, изучая и классифицируя элементарные реакции, ученые разработали правила скорости для оценки других реакций.
Также существуют факторы, которые могут повлиять на скорость реакции:
Температура.
Давление.
Свет (для фотолитических реакций).
Электромагнитные поля (для плазменных или электрохимических реакций).
Состояние химического вещества: твердое, жидкое или газообразное.
Присутствие катализаторов.
Молекулярный размер и структура.
Площадь контактных поверхностей.
Размер частиц.
Что такое неэлементарные реакции?
Часто учебники по химии определяют глобальную реакцию так же, как и элементарные реакции:
zA + yB + … + aZ = Продукты реакции
В действительности эта реакция может иметь тысячи промежуточных реакций, протекающих поэтапно. Общая реакция – когда все элементарные реакции идут к завершению – может быть затем упрощена до компонентов A, B, C, D и далее.
Некоторые из этих реакций могут не зависеть от давления или температуры. Другие могут быть довольно сложными, требующими трех или более соединений, прежде чем они вступят в реакцию. Третьи могут быть ускорены путем введения катализатора, чтобы заставить систему предпочесть определенные пути реакции.
Тем не менее, каждая из этих промежуточных реакций может по-разному влиять на скорость общей реакции. Однако, когда у вас есть сотни соединений и тысячи реакций, процесс становится слишком сложен для оценки и управления.
Традиционно инженеры были вынуждены определять скорость сложных реакций экспериментально. Однако, в наши дни можно легко использовать численное моделирование для их изучения, чтобы найти оптимальную температуру, технологию процесса или давление, а также сдвинуть систему в сторону.
В каких случаях необходимо уделять повышенное внимание химической кинетике и термодинамике процессов?
Рассмотрим реальный пример – сокращение вредных выбросов двигателя.
Преобразование топлива в углекислый газ, воду и прочие составляющие происходит каждый день. Однако, нельзя игнорировать парниковые и вредные эффекты конечных продуктов реакции.
Моделируя процесс с учетом кинетики и термодинамики химических реакций, инженеры могут контролировать, как горит топливо, чтобы уменьшить выброс определенных загрязняющих веществ.
Знания в области химической кинетики и термодинамики могут помочь инженерам разрабатывать более совершенные двигатели и реакторы
Главная задача — контролировать температуру, давление и воздушные смеси в двигателе так, чтобы доминировали процессы, которые вырабатывают больше энергии с наименьшим количеством загрязняющих веществ.
Проблема заключается в том, что бензин не является монолитным химическим соединением. Это многокомпонентная смесь, состав которой может варьироваться в концентрациях в зависимости от местоположения, сезона и производственных процессов. Поэтому инженерам нужно спроектировать двигатель, чтобы он работал на самых разных видах топлива.
В процессе сгорания топлива в камере сгорания двигателя задействованы тысячи реакций. Поэтому лучший способ оценки уровня вредных выбросов – использование численного моделирования.
Современные CFD-решатели Ansys позволяют дополнить моделирование гидрогазодинамических процессов химическими реакциями с учетом их кинетики и термодинамики, благодаря чему можно проводить оптимизацию механизма сгорания. В то же время использование мультидисциплинарного подхода к моделированию в среде Ansys Workbench позволяет проанализировать и другие процессы в двигателе, например, термопрочностные и усталостные, обусловленные циклической тепловой нагрузкой.
По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растёт) и отрицательный (скорость реакции падает). В случае ингибирования цепных реакций, ингибитор расходуется в процессе реакции, поэтому данный случай нельзя считать отрицательным катализом.
Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время как гетерогенные катализаторы отличаются фазой.
Гомогенный катализ
Примером гомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии:
При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.
Гетерогенный катализ
При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твёрдого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твёрдый пористый носитель.
Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного.
Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причём все они обратимы:

• 
  Диффузия реагирующих веществ к поверхности твёрдого вещества;
  
• 
  Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твёрдого вещества реагирующих молекул и затем их хемосорбция;
  
• 
  Химическая реакция между реагирующими молекулами;
  
• 
  Десорбция продуктов с поверхности катализатора;
  
• 
  Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток.
  

Примером гетерогенного катализа является окисление SO2 в SO3 на катализаторе V2O5 при производстве серной кислоты (контактный метод).

Течение реакции именно на поверхности катализатора можно продемонстрировать на опыте, в котором пластинку из платины нагревают в пламени газовой горелки, затем пламя тушат и пускают на пластинку струю газа из горелки, при этом пластинка снова раскаляется докрасна — окисление метана происходит на поверхности металла.