Ebook: Введение в основы адсорбции и текстурологии

2000. Для студентов кафедры "катализ и адсорбция" ФЕН НГУ, IV курс, VII семестр, специальность "Химия", лекции 32 часа, семинары 24 час., лабораторные занятия 84 час.
1. Введение в общую теорию поверхностных явлений. Терминология: адсорбция, физадсорбция, хемосорбция, абсорбция, сорбция, адсорбент, адсорбат, адсорбтив, микропоры, мезо и макропоры. Типы межмолекулярных взаимодействий: дисперсионное, индукционные, электростатическое ориентационное, кулоновское, водородная связь, донорно-акцепторные, специфические и неспецифические. Уравнение Леннард-Джонса, ван-дер-ваальсовские и леннард-джонсовские размеры молекул. Адсорбция на поверхности ( мономолекулярная, полимолекулярная ), в объеме микропор, капиллярная конденсация ( определение )
2. Динамический характер адсорбции. Классификация изотерм адсорбции. Динамический характер адсорбции. Связь времени "жизни в адсорбированном состоянии" с теплотой адсорбции. Изотермы Генри, Ленгмюра ( кинетичес-кий вывод, физический смысл ), изотермы Френкеля-Хелси- Хилла, Фаулера-Гугенгейма. Уравнение БЭТ, основные постулаты и принципы вывода, молекулярные посадочные площадки в заполненном монослое. Кластеры.
3. Элементы термодинамики поверхностных явлений на плоской поверхности: разделяющая поверхность Гиббса, поверхностные избытки. Изотерма адсорбции Гиббса. Поверхностное натяжение, поверхностная энергия и поверхностное давление. Поверхностно-активные и инактивные вещества. Уравнение Хилла-де Бура. Работа и теплота адсорбции, "чистая" теплота адсорбции.
4. Экспериментальные методы измерения изотерм адсорбции: (волюметрия, гравиметрия, проточные и др. ), теплот адсорбции и смачивания. Калориметры. Метод тепловой десорбции. Хемосорбционные методы изерения актив-ой поверхности. Связь дифференциальных и изостерических теплот адсорбции.
5. Начальные участки изотерм адсорбции: определение поверхности и микропористости традиционными методами. Метод БЭТ и его недостатки. Сравнительный метод анализа изотерм адсорбции, стандартные изотермы адсорбции, расчеты для систем с модифицированной поверхностью или содержащих микропоры. Теория объемного заполнения микропор (ТОЗМ), измерение объема и размера микропор, измерение активной поверхности катализаторов.
6. Современное состояние теории адсорбции: Современные подходы, основанные на статистической и молекулярной физике. Методы адсорбционного компьютерного эксперимента. Интегральные методы, общие понятия о методах потенциала среднего поля, молекулярной динамики и Монте Карло. Возможности и перспективы. Современные взгляды на особенности заполнения микропор и поверхности.
7. Закономерности термодинамики поверхностных явлений в трехфазных системах: адгезия и когезия, контактный угол смачивания, средняя кривизна поверхности. Элементы термодинамики на искривленных поверхностях раздела: зависимость химического потециала от кривизны поверхности, уравнения Юнга-Дюпре, Лапласа, Кельвина. Равновесная форма менисков жидкости в простейших моделях. Обратимая и необратимая капиллярная конденсация в простейших моделях (цилиндрический капилляр, мениски между сферическими частицами). Ртутная порометрия в простейших моделях.
8. Капиллярно-конденсационный гистерезис в простейших моделях пор, правило Гурвича, уравнение Уилера, стандартные методы расчета распределения объема пор по эффективным размерам, их недостатки. Эффекты кооперативного заполнения при капиллярной конденсации.
9. Геометрия (текстура) пористых тел: текстура, классификации Киселева, Дубинина, Радушкевича и др. "Бритва Оккама". Решетки пор и частиц. Системный набор моделей. Основные параметры текстуры: удельная поверхность, пористость, пикнометрическая, кажущаяся, насыпная плотность. Размер и форма частиц, пор и контактных сечений между ними. Расчет средних размеров частиц и пор через коэффициенты формы. Понятия о статистике их распределения по размерам.
10. Моделирование ансамблей пор и частиц. Фракталы. Модель хаотично расположенных сфер. Элементы теории перколяция -задачи узлов и связей, примеры их практического приложения. Ртутная порометрия в статистических решетках. Размеры кластеров.
11. Элементарные механизмы образования дисперсных систем. Роль текстуры в катализе. Способы получения высокодисперсных систем, изменения свободной энергии при диспергировании и фазовых превращениях. Гомогенное и гетерогенное зародышеобразование, влияние адсорбции. Изменения объема при фазовых превращениях. Псевдоморфозы, топотаксия. Механизмы агрегации и дезагрегации. Стабильность золей, слои Штерна-Гельмгольца и Гуи-Чепмена, изменения энтропии при диспергировании. Лиофобные и лиофильные системы.
12. Элементарные механизмы формирования и эволюции двухфазных систем. Механизмы массообмена в коллоидных системах (переконденсация, зарастание или срастание, процессы при гидротермальной обработке ). Механизмы процессов спекания. Химические транспортные реакции. Спекание нанесенных катализаторов, роль взаимодействия с носителем, редиспергирование. Спекание в присутствии жидкой фазы.
13. Элементарные механизмы формирования и эволюции трехфазных систем. Механизмы, определяющие равновесие и перенос флюида в 3-фазных системах Г-Ж-Т. Типы доменов. Испарение в модельных кластерах типа Г-Ж-Т, стадия сушки в приготовлении нанесенных катализаторов. Адсорбционно- контактная сушка, жидкофазные нанесенные катализаторы.
14. Формирование текстуры типичных носителей и адсорбентов. Пределы и механизмы изменений пористости при сушке влажных гелей и осадков. Пределы и механизмы изменений удельной поверхности при сушке и термообработке. Стадии и механизмы формирования текстуры силикагелей, получаемых золь-гель методом, формирование через коагели. Особенности формирования текстуры кристаллизующихся систем. Формирование текстуры саж, покрытий из пироуглерода, сибуниты. Формирование текстуры КВУ.
15. Прикладные задачи адсорбции. Адсорбция в задачах очистки, концентрирования и выделения, аккумулирования и хранения (вещества и энергии), демпфирование-стабилизация концентраций, адсорбенты в тепловых машинах и др. Динамика адсорбции: уравнения Шилова, Вильсона, Викке, уравнения материального и теплового баланса. Роль формы изотерм адсорбции. Фронт адсорбции. Методы TSA и PSA.
16. Прошлое, настоящее и будущее адсорбции и текстурологии. Подведение итогов: адсорбция, пористая структура, адсорбционно- капиллярные процессы в формировании структуры катализаторов. История вопроса: от алхимии через флогистон к современной компьютеризированной химии в XXI век, роль и связь с общей историей химии и естествознания.