Chemia fizyczna - wykład 5

Wykład 5
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
Chemia fizyczna - wykład 5
Anna Ptaszek
Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
9 października 2015
1 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
Adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorbentu):
adsorpcja fizyczna: substancja adsorbująca adsorbat wiąże
się z powierzchnią fazy stałej siłami van der Waalsa,
adsorpcja chemiczna (chemisorpcja): polega na wiązaniu
cząsteczek adsorbatu z powierzchnią ciała stałego za
pomocą wiązań atomowych lub jonowych.
Adsorpcja to samorzutny proces egzotermiczny (tak jak
skraplanie pary czy krzepnięcie cieczy). Ilość ciepła wydzielana
podczas adsorpcji fizycznej jest zbliżona wartością do ciepła
skraplania, natomiast w przypadku chemisorpcji do ciepła
reakcji chemicznej.
2 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
3 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Anna Ptaszek
Izoterma Freundlicha
u amek powierzchni adsorbentu
zaj ty przez adsorbat
Chemia
fizyczna wykład 5
st
enie adsorbatu
ci nienie adsorbatu
si
pi
4 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A: θA
ułamek wolnej powierzchni adsorbenta: θ0
θ A + θ0 = 1
ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A:
θA = K A · pA
opisuje tzw. izoterma Henry’ego. Odpowiada ona warunkom
niewielkich ciśnień(/stężeń) adsorbatu.
5 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Chemia
fizyczna wykład 5
szybkość adsorpcji A:
Anna Ptaszek
radsA = kad · pA · θ0
szybkość desorpcji A:
rdesA = kde · θA
stała sorpcji KA
KA =
kadsA
θA
=
kdesA
pA · θ0
czyli:
θA = K A · pA · θ0
6 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
θA + θ0 = 1
łącząc dwa równania:
KA · pA · θ0 + θ0 = 1
θ0 · (1 + KA · pA ) = 1
możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni adsorbentu:
θ0 =
1
1 + KA · pA
7 / 20
Zjawiska powierzchniowe
Chemia
fizyczna wykład 5
Izoterma adsorpcji w przypadku skraplania powierzchniowego
u amek powierzchni adsorbentu
zaj ty przez adsorbat
Anna Ptaszek
Pin
ci nienie adsorbatu
pi
8 / 20
Zjawiska powierzchniowe a katalizatory
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
Katalizator to substancja, której obecność w mieszaninie
reakcyjnej powoduje nie tylko obniżenie bariery energetycznej
(energii aktywacji) ale i może zmienić mechanizm reakcji na
preferowany. Skutkiem zastosowania katalizatora jest
zwiększenie szybkości reakcji.
Aby katalizator zadziałał musi dojść do kontaktu pomiędzy
substratem (substratami) i katalizatorem.
9 / 20
Kataliza heterogeniczna
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
Belviso et al. (2015) Microporous and Mesoporous Materials, 212
10 / 20
Kataliza heterogeniczna
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
11 / 20
Kataliza heterogeniczna - etapy
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
centrum
aktywne
powierzchnia
zewn trzna
powierzchnia
wewn trzna
12 / 20
Kataliza heterogeniczna - etapy
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
1
2
3-5
7
6
13 / 20
Kataliza heterogeniczna - etapy
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
1
2
3-5
7
1
2
3
4
5
6
7
-
6
dyfuzja do zewnętrznej powierzchni,
dyfuzja wewnątrz porów katalizatora,
adsorpcja na powierzchni katalizatora,
reakcja na powierzchni (centrum aktywne katalizatora),
desorpcja produktów z powierzchni,
dyfuzja produktów reakcji z powierzchni porów,
dyfuzja z powierzchni zewnętrznej.
14 / 20
Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
Reakcja:
A −→ B
ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez substrat A: θA
ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez produkt B: θB
ułamek wolnej powierzchni katalizatora: θ0
θA + θB + θ0 = 1
θA = K A · pA · θ0
θB = KB · pB · θ0
15 / 20
Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
θA + θB + θ 0 = 1
łącząc dwa równania:
KA · pA · θ0 + KB · pB · θ0 + θ0 = 1
możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni katalizatora:
θ0 =
1
1 + KA · pA + KB · pB
16 / 20
Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości
Chemia
fizyczna wykład 5
szybkość reakcji zużywania substratu A:
Anna Ptaszek
rA = k · θA
rA = k · KA · pA · θ0
stosując najprostszy mechanizm reakcji I rzędowej:
r A = k · K A · pA ·
1
1 + KA · pA + KB · pB
ostatecznie otrzymujemy:
rA =
k · K A · pA
1 + KA · pA + KB · pB
17 / 20
Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
ogólne równanie szybkości procesu:
rA =
(KIN)(SN)
(SORPC )n
KIN - człon kinetyczny,
SN - siła napędowa,
SORPC - człon sorpcyjny.
rA =
k · K A · pA
1 + KA · pA + KB · pB
18 / 20
Kataliza heterogeniczna - dezaktywacja
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
zatruwanie,
blokowanie powierzchni,
starzenie.
19 / 20
Kataliza homogeniczna
Chemia
fizyczna wykład 5
Anna Ptaszek
A + X −→ B + X
X - katalizator
szybkość zużywania substratu A:
rA = k · SA · SX
20 / 20