ЗАДАЧИ
контрольных 2011/2012 учебного года
по курсу
«ТЕРМОДИНАМИКА ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО КАТАЛИЗАТОРА»
Новосибирск
2012
1 раздел
Задача 1.1.
Оценить равновесный при 600 °С состав поверхностного слоя для сплава Cu : Ni с составом 1 : 1 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Cu 1,67 Дж / м2, а для Ni – 1,85 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.2.
Оценить равновесный при 600 °С состав поверхностного слоя для сплава Ag : Au с составом 1 : 1 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Ag 1,14 Дж / м2, а для Au – 1,41 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.3.
Катализатор V–Ti–O является твердым раствором оксидов V2O5 и TiO2 в мольном соотношении V : Ti = 1 : 1. Сохранится ли это соотношение V : Ti на поверхности в условиях равновесия? Ответ аргументировать.
Задача 1.4
Катализатор V–W–O является твердым раствором оксидов V2O5 и WO3 в мольном соотношении V : W = 1 : 1. Сохранится ли это соотношение V : W на поверхности в условиях равновесия? Ответ аргументировать.
Задача 1.5.
Оценить возможный максимальный перегрев активного компонента катализатора в реакции
2 CO + О2
2
CО2,
(
)
протекающей на дисперсной платине в катализаторе 1%Pt/SiO2 с объемной скоростью 105 час–1.
Размер частиц активного компонента 2r = 5 нм, размер гранулы катализатора – 2 R = 1 мм. Температура в реакторе 600 °С. Молекулярная масса и плотность никеля 195 и 21,45 г / см3 соответственно.
Задача 1.6.
Оценить возможный максимальный перегрев активного компонента катализатора в реакции
CO + 3 H2
CH4 +
H2O,
(
)
протекающей на дисперсной платине в катализаторе 1 %Pt / SiO2 с объемной скоростью 102 час–1.
Размер частиц активного компонента 2 r = 10 нм, размер гранулы катализатора – 2 R = 2 мм. Температура в реакторе 500 °С. Молекулярная масса и плотность платины 195 и 21,45 г / см3 соответственно.
Задача 1.7.
Оценить возможный максимальный перегрев активного компонента катализатора в реакции
CO + 3H2
CH4 +
H2O,
(
)
протекающей на дисперсном никеле в катализаторе 5%Ni/Al2O3 с объемной скоростью 10 час–1.
Размер частиц активного компонента 2r = 10 нм, размер гранулы катализатора – 2R = 4 мм. Температура в реакторе 400°С. Молекулярная масса и плотность никеля 59 и 8,9 г / см3 соответственно.
Задача 1.8.
Оценить равновесный при 500 °С состав поверхностного слоя для сплава Ag : Au с объемным составом 1 : 2 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Ag 1,14 Дж / м2, а для Au – 1,41 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.9.
Оценить равновесный при 600 °С состав поверхностного слоя для сплава Cu : Au с составом 10 : 1 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Cu 1,67 Дж / м2, а для Au – 1,41 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.10.
Оценить равновесный при 500 °С состав поверхностного слоя для сплава Cu : Ag с объемным составом 5 : 1 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Cu 1,67 Дж / м2, а для Ag – 1,14 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.11.
Оценить равновесный при 600 °С состав поверхностного слоя для сплава Cu : Au с объемным составом 1 : 1 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Cu 1,67 Дж / м2, а для Au – 1,41 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.12.
Оценить равновесный при 400 °С состав поверхностного слоя для сплава Cu : Ni с объемным составом 1 : 2 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Cu 1,67 Дж / м2, а для Ni – 1,85 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.13.
Оценить возможный максимальный перегрев активного компонента катализатора в реакции
CO + 3 H2
CH4 +
H2О,
(
)
протекающей на дисперсной платине в катализаторе 0,5 %Pt/ SiO2 с объемной скоростью 104 час–1.
Размер частиц активного компонента 2r = 10 нм, размер гранулы катализатора – 2R = 2 мм. Температура в реакторе 500 °С. Молекулярная масса и плотность платины 195 и 21,45 г / см3 соответственно.
Задача 1.14.
Оценить возможный максимальный перегрев активного компонента катализатора в реакции
CO + 3 H2 CH4 + H2О, ( )
протекающей на дисперсной платине в катализаторе 1 %Pt/ S iO2 с объемной скоростью 102 час–1.
Размер частиц активного компонента 2 r = 10 нм, размер гранулы катализатора – 2 R = 2 мм. Температура в реакторе 500 °С. Молекулярная масса и плотность платины 195 и 21,45 г / см3 соответственно.
Задача 1.15.
Оценить равновесный при 600 °С состав поверхностного слоя для сплава Ag : Au с составом 1 : 1 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Ag 1,14 Дж / м2, а для Au – 1,41 Дж / м2. Ход решения пояснить.
Задача 1.16.
Оценить равновесный при 600 °С состав поверхностного слоя для сплава Ag : Au с составом 1 : 10 (атомн. долей), если поверхностное натяжение для Ag 1,14 Дж / м2, а для Au – 1,41 Дж / м2. Ход решения пояснить.
2 Раздел
Задача 2.1.
Найти условия лимитирования стадией (2) стационарной скорости брутто-процесса
R1 + R2 P1 + Р2,
осуществляющейся по схеме
R1
+ K
K1 +
Р1 (1)
К1 + R2 K + P2. (2)
Что является при этом скорость-определяющими параметрами и каковы значения кажущейся энергии активации этой реакции в условиях сильного и слабого заполнения поверхности? Ход решения пояснить.
Задача 2.2.
Каталитический брутто-процесс
R1 + R2 P1 + Р2,
осуществляется по схеме
R1 + K K1 (1)
К1 + R2 K2 + Р1 (2)
К2 K + P2. (3)
При каких соотношениях параметров стационарная скорость процесса лимитирована стадией (2). Каковы значения кажущейся энергии активации этой реакции в условиях сильного и слабого заполнения поверхности? Ход решения пояснить.
Задача 2.3.
При каких теплотах диссоциативной хемосорбции кислорода на серебра
O2 + 2 2 Oa
следует ожидать самопроизвольного микрофасетирования поверхности серебра при температуре 300 °С?
Давление кислорода
1 бар. Энтропию хемосорбции кислорода
считать равной
.
Задача 2.4.
Каталитическая брутто-реакция
R P (I)
осуществляется по схеме
R + K
K1
K1
P + K.
В систему введено вещество А, которое образует комплексы с каталитическим интермедиатом K1:
K1 + A
K2.
Найти энергию активации брутто-процесса I в ситуации, когда доминирующей формой активного центра является интермедиат K2. Реакция протекает в стационарном относительно интермедиатов режиме.
Задача 2.5.
Какой следует ожидать зависимость степени заполнения поверхности металлического палладия адсорбированным дикислородом от размера частиц палладия, если известно, что адсорбция дикислорода происходит диссоциативно. Ответ аргументировать. При каких размерах частиц можно ожидать обсуждаемую зависимость?
Задача 2.6.
Оценить, как изменится стационарная скорость каталитической реакции
R P,
протекающей на наночастицах активного компонента K, при уменьшении размера этих наночастиц от 100 до 5 нм.
Реакция протекает по схеме
R + K K1 (1)
K1 Р + K, (2)
где К1 – молекулярно-адсорбированный интермедиат.
Считать, что величина избыточной поверхностной энергии вещества K равна 1 Дж / м2, а коэффициенты корреляции между энтальпией элементарной стадии и высотой потенциального барьера для переходного состояния элементарных реакций (1) и (2) равны æ = 0,5.
Рассмотреть случай слабого покрытия поверхности интермедиатом К1. Ответь аргументировать.
Задача 2.7.
Найти условия, когда стационарная скорость брутто-процесса
R1 + R2 P1 + Р2,
осуществляется по схеме
R1 + K K1 + Р1 (1)
К1 + R2 K + P2, (2)
лимитирована стадией (1).
Что является при этом скорость-определяющими параметрами и каковы значения кажущейся энергии активации этой реакции в условиях сильного и слабого заполнения поверхности интермедиатом K1? Ход решения пояснить.
Задача 2.8.
Каталитический брутто-процесс
R P1 + Р2,
осуществляется по схеме
R + K K1 (1)
К1 K2 + Р1 (2)
К2 K + P2. (3)
Найти условия, когда стационарная скорость процесса лимитируется стадией (2). Что является скорость-определяющими параметрами и каковы значения кажущейся энергии активации этой реакции в условиях сильного и слабого заполнения поверхности интермедиатами K1 и K2? Ход решения пояснить.
Задача 2.9.
Вещество А2 диссоциативно сорбируется на частицу вещества K с радиусом r:
2 K + A2 2 Aa.
Как зависит равновесная степень покрытия поверхности адсорбатом Aa от размера частицы? Ответ аргументировать. При каких размерах частиц вещества K следует ожидать появления обсуждаемой зависимости?
Задача 2.10.
Каталитический брутто-процесс
R1 + R2 P,
осуществляется по схеме
R1 + K K1 (1)
К1 + R2 K + P. (2)
Найти условия, когда стационарная скорость процесса лимитирована стадией (2). Что является при этом скорость-определяющими параметрами и каковы значения кажущейся энергии активации этой реакции в условиях сильного и слабого заполнения поверхности интермедиатом K1? Ход решения пояснить.
Задача 2.11.
Каталитическая реакция
R P (I)
протекает по схеме
R + K K1
K1 K + Р
в стационарном по отношению к интермедиату K1 режиме.
Известно, что продукт Р может образовывать комплекс с интермедиатом K1:
K1 + Р K2.
Найти энергию активации процесса I в ситуации, когда доминирующей формой активного центра является интермедиат K1. Процесс протекает в стационарном режиме.
Задача 2.12.
Оценить возможный максимальный перегрев активного компонента катализатора в реакции
CO + 3H2 CH4 + H2O, ( )
протекающей на дисперсном никеле в катализаторе 5%Ni/Al2O3 с объемной скоростью 103 час–1.
Размер частиц активного компонента 2 r = 10 нм, размер гранулы катализатора – 2 R = 2 мм. Температура в реакторе 400 °С. Молекулярная масса и плотность никеля 59 и 8,9 г / см3 соответственно.