11. Zdefiniuj i porównaj katalizę homogeniczną i heterogeniczną.

Kataliza homogeniczna, czyli jednofazowa ma miejsce, gdy katalizator znajduje się w tej samej fazie, co substraty i nie występuje granica faz.

Kataliza heterogeniczna ma miejsce, gdy katalizator stanowi odrębną fazę. Najczęściej stosowanym układem heterofazowym jest układ, w którym katalizator jest stały natomiast substrat występuje w fazie gazowej.

Kataliza	Rodzaj faz		Przykłady reakcji
		Katalizator		Substraty
	Homogeniczna	Ciecz	Ciecz	Hydroliza estrów w obecności kwasów nieorganicznych
		Gaz	Gaz	Utlenianie SO2 do SO3 w obecności NO2
		Ciało stałe	Ciało stałe	Rozkład KClO3 w obecności MnO2
	Heterogeniczna	Ciecz	Gaz	CH2=CH2 + O2 =CH3CHO, w obecności r-ru PdCl2 + CuCl2
		Ciecz	Ciało stałe + gaz	Uwodornienie węgla w obecności kompleksów metali przejściowych
		Ciało stałe	Ciecz	Odwodnienie wyższych alkoholi na Al2O3-SiO2
		Ciało stałe	Gaz	Utlenianie etylenu na Ag2O
		Ciało stałe	Ciecz + gaz	Uwodornienie nienasyconych kwasów tłuszczowych na Ni

Większość reakcji katalitycznych stosownych w praktyce przeprowadza się w układzie heterogenicznym gaz - ciało stałe. W instalacjach do procesów w takim układzie gazowe substraty przepływają z kontrolowaną szybkością przez złoże stałego katalizatora, najczęściej nieruchome, umieszczone w reaktorze o kontrolowanej temperaturze. Strumień mieszaniny reakcyjnej po przejściu przez złoże, na którym zachodzi reakcja, kierowany jest do urządzenia, w którym następuje wydzielenie produktów.

Jeśli chodzi o procesy przemysłowe prowadzone w układach homogenicznych( najczęściej używane katalizatory to kompleksy metaloorganiczne), to w tym przypadku zachodzą one z reguły w niskich temperaturach, zbliżonych do pokojowej, z selektywnościami bliskimi 100%. Niekorzystnym faktem przy prowadzeniu reakcji katalitycznej w układzie homogenicznym jest konieczność kosztownego oddzielenia składników mieszaniny reakcyjnej od katalizatora i straty katalizatora, które mogą zachodzić przy tej operacji.

12. W jaki sposób opisujemy kinetykę homogenicznych reakcji katalitycznych?

<równanie wyprowadzone w wykładach>

13. Jakie znasz typy reaktorów chemicznych?

Reaktory idealne:

• reaktor o przepływie tłokowym

• reaktor przepływowo- zbiornikowy z doskonałym mieszaniem

• reaktor zbiornikowy z idealnym mieszaniem

1. reaktor izochoryczny

2. b) reaktor izobaryczno- izotermiczny

Reaktory rzeczywiste

14. Napisz równanie procesowe dla reaktora zbiornikowego z idealnym mieszaniem, w którym przebiega reakcja chemiczna I rzędu

<równanie wyprowadzone w wykładach>

15. Napisz równanie procesowe dla idealnego reaktora o przepływie tłokowym, w którym przebiega reakcja chemiczna I rzędu

<równanie wyprowadzone w wykładach>

16. Napisz równanie procesowe dla reaktora przepływowo- zbiornikowego z idealnym mieszaniem, w którym przebiega reakcja chemiczna I rzędu.

Ogólne równanie reakcji:

A->B

r_A= kc_A = kn_A /v_T

kn_A /v_T =n_A - n_A0 / -v / a caly ten ułamek pomnażamy przez -v

-vkn_A / v_T = n_A - n_A0 / obustronnie mnożymy przez v_T

-vkn_A = n_A - n_A0 {v_t }/ obustronnie dzielimy przez kn_A

- v= n_A - n_A0 {v_t } / kn_A

v= -n_A - n_A0 {v_t } / kn_A

v = v_T/k * n_A0 - n_A / n_A

v= v_T/k (n_A0/ n_A - 1)

17. Opisz przebieg chemisorpcji i wskaż na diagramie energetycznym energię aktywacji adsorpcji, desorpcji oraz ciepła adsorpcji.

Chemisorpcja jest adsorpcją jednowarstwową (monowarstwową, monomolekularną), co oznacza, że na powierzchni adsorbentu, może się zaadsorbować jedynie jedna warstwa (monowarstwa) adsorbatu. Chemisorpcja zależy w dużej mierze od temperatury układu, gdy temperatura jest niska proces sorpcji chemicznej zachodzi wolno, jeżeli jednak podniesiemy odpowiednio temperaturę proces ten zachodzi znacznie szybciej. Proces jest specyficzny i zależy od chemicznej natury centrów adsorpcji i bardzo często ma charakter nieodwracalny.

Linie: 1. adsorpcja fizyczna

2. adsorpcja chemiczna

Q_A2- ciepło chemisorpcji (to większe)

Q_A2- ciepło adsorpcji fizycznej (to mniejsze)

E* - energia aktywacji chemisorpcji

Oś x w tym układzie współrzędnych oznacza odległość od powierzchni katalizatora (powierzchni gdzie cząstki się adsorbują) im dalej w prawo tym dalej od powierzchni.

Energia aktywacji adsorpcji E_a^ads

Energia aktywacji desorpcji E_a^des

18. Wyprowadź izotermę Langmuira dla adsorpcji molekularnej.

<równanie wyprowadzone w wykładach>

19. Co to jest adsorpcja dysocjatywna i jaką postać ma wówczas izoterma Langmuira?

Adsorpcja dysocjatywna ma miejsce, gdy w procesie chemisorpcji dochodzi do powstania wiązań chemicznych między atomami adsorbatu i adsorbenta, czemu towarzyszy rozerwanie wiązań w adsorbowanej cząsteczce.

W przypadku, kiedy adsorpcji towarzyszy dysocjacja cząstki, np. na dwa atomy, proces adsorpcji można rozpatrywać jako reakcję miedzy cząsteczką z fazy gazowej i dwoma miejscami na powierzchni. Szybkość adsorpcji w tym przypadku równa jest

n_ads= k_ads p(1-Θ)²

a desorpcji

n_des= k_des Θ²

Przyrównanie powyższych zależności daje następujące wyrażenie na stopień pokrycia powierzchni w stanie równowagi w przypadku dysocjacji adsorbowanej cząstki:

Przy niskich ciśnieniach, którym odpowiadają małe wartości stopnia pokrycia powierzchni,
<<1, skąd

Dla adsorpcji kilku gazów, zachodzącej równocześnie na tej samej powierzchni wyrażenie na pokrycie powierzchnie substancją X

Zakłada się, że szybkość adsorpcji substancji X jest proporcjonalna do ciśnienia i do ułamka wolnej powierzchni. F_x jest ułamkiem powierzchni zajętym przez substancję X.

20. Co rozumiesz pod określeniami: obszar kinetyczny, dyfuzyjny i przejściowe reakcji katalitycznej?

Obszar kinetyczny reakcji katalitycznej- obszar zależny od stężenia reagentów. W tym obszarze szybkość przemiany uwarunkowana jest oporem reakcji chemicznej. Dla procesów przebiegających w obszarze kinetycznym zwiększenie temperatury zawsze przybliża proces do stanu równowagi, lecz wydajność równowagowa ze wzrostem temperatury zwiększa się w przypadku procesów endotermicznych i maleje dla procesów egzotermicznych.

Obszar dyfuzyjny reakcji katalitycznej- obszar zależny od prędkości wymiany masy. W tym obszarze opór dyfuzji określa szybkość przemiany.

Obszar przejściowy reakcji katalitycznej- obszar zależny zarówno od prędkości wymiany masy, jaki i stężenia reagentów

---