1. Podaj 3 przykłady procesów, w których istotną role odgrywają zjawiska na granicy rozdziału faz

1. procesy fizykochemiczne (rozpuszczanie, zwilżalność - środki piorące, spawanie; procesy elektrodowe)

2. adsorpcja (ochrona środowiska, przemysł)

3. kataliza (ochrona środowiska, przemysł)

2. Podaj definicje adsorpcji i adsorbentu

Adsorpcja - zmiana stężenia na granicy rozdziału faz = stężenie cząsteczek jednego lub wielu rodzajów jest różne od stężenia w wnętrzu fazy (na granicy faz: ciało stałe - gaz; stałe - ciecz; ciecz - ciecz, ciecz - gaz)

Adsorbent - ciało stałe mające zdolność do gromadzenia cząsteczek (lub atomów) jednego lub kilku rodzajów na granicy rozdziału faz

3. uzupełnij

adsorpcja fizyczna jest powodowana przez siły van der Waalsa

4. uzupełnij

chemisorpcja powodowana jest przez przez siły kowalencyjne / elektrostatyczne (przenoszenie lub uwspólnienie elektronów)

5. podaj 3 cechy różniące adsorpcję fizyczną i chemisorpcję

ciepło adsorpcji; grubość warstwy adsorpcyjnej; szybkość procesu; zależność ilości sorbowanej od temp; postać cząsteczek adsorbowanych; zmiany w adsorbencie

6. podaj 4 postacie, które może przybierać amoniak chemisorbowany na powierzchni o odpowiednim charakterze

-wiązanie z centrami kwasowymi Lewisa S ← NH₃ (S - centrum)

-wiązanie z centrami kwasowymi Broensteda (może oddawać protony); (S)-OH + NH₃ → S-O-NH₄⁺

-dysocjacja cząsteczki: S-NH₂ + S-H;

S-NH + 2 S-H;

S-N + 3 S-H

7. podaj 2 typy procesów przemysłowych, w których stosuje się adsorpcję

1. proces oczyszczania - kolumna z adsorbentem hydrofilowym - usuwanie śladów wody ze strumieni cieczy i gazów; usuwanie niepożądanych zanieczyszczeń: - H₂S lub merkaptany z gazu naturalnego;- zanieczyszczenia organiczne z wody;- SO₂ z gazów odlotowych itp.;- odzyskiwanie par benzyny (hermetyzacja stacji paliw)

2. rozdzielanie mieszanin - proces Adsorb do odzyskiwania aromatycznych węglowodorów; oddzielenie liniowych węglowodorów od ich izomerów rozgałęzionych i cyklicznych

8. Podaj 3 przemysłowe procesy katalityczne oraz używany w nich katalizator (--------)

9. uzupełnij

Izoterma adsorpcji jest to opis ilości sorbowanej; a = f(p/p_o)_T

10. uzupełnij

Dużą powierzchnią właściwą odznaczają się porowate ciała stałe

11. podaj definicje tekstury i powierzchni właściwej

tekstura - geometria pustych przestrzeni zawartych w cząstkach i pomiędzy nimi

powierzchnia właściwa - [m²/g]; jest miarą dostępnej powierzchni na jednostkę masy ciała stałego (= suma wewnętrznej powierzchni porów i zewnętrznej powierzchni ziaren)

12. podaj klasyfikację porów według ich wielkości

1. mikropory - < 2 nm

2. mezopory - 2 - 50 nm

3. makropory - > 50 nm

13. podaj parametry opisujące teksturę ciał stałych

1. powierzchnia właściwa

2. porowatość

3. kształt porów

4. rozkład objętości porów według ich promieni

5. dystrybucja wielkości cząstek

6. kształt i wielkość aglomeratów cząstek

14. uzupełnij

teksturę ciała stałego można wyznaczyć przez analizę izotermy adsorpcji

15. uzupełnij

Powierzchnię właściwą wyznaczamy z izotermy adsorpcji argonu z danych doświadczalnych w zakresie ciśnień względnych p/p_o od 0,05 do 0,35 przy użyciu wzoru

16. uzupełnij

Objętość mikroporów wyznaczmy z izotermy adsorpcji argonu z danych doświadczalnych w zakresie ciśnień względnych p/p_o 10^-4 - 0,01 (0,02) przy użyciu wzoru Dubinina - Raduszkiewicza:

Log a = log a_o - D (log p_o/p)² (a - ilość sorbowana, D - stała, a_o - ilość adsorbatu potrzebna do całkowitego wypełnienia mikroporów = objętość mikroporów [mmol/g])

V_mik [cm³/g] = a_o V_mol (V_mol - objętość molowa sorbatu [cm³/mmol])

17. Podaj 3 przykłady procesów oczyszczania mieszanin stosujących adsorpcję

1. kolumna z adsorbentem hydrofilowym - usuwani śladów wody ze strumieni cieczy i gazów

2. usuwanie niepożądanych zanieczyszczeń (H₂S lub merkaptany z gazu naturalnego; zanieczyszczenia organiczne z wody; SO₂ z gazów odlotowych itp.; odzyskiwanie par benzyn - hermetyzacja stacji paliw)

18. Podaj 2 przykłady zastosowania adsorpcji w przemysłowych procesach rozdzielania mieszanin.

1. proces Adsorb do odzyskiwania aromatycznych węglowodorów

2. oddzielanie liniowych węglowodorów od ich izomerów rozgałęzionych i cyklicznych

19. Kiedy, w przypadku rozdzielania mieszanin, procesy adsorpcyjne są bardziej ekonomiczne niż destylacja?

1. gdy względna lotność jest mniejsza niż 1,25

2. dla lżejszych gazów (destylacja kriogeniczna) nawet dla większych α

20. Jakie wymagania musi spełnić adsorbent dla zapewnienia ekonomiczności procesu rozdzielania mieszanin?

1. o wysokiej pojemności

2. o wysokiej selektywności

3. o długim czasie życia

21. Co to jest czynnik rozdziału? Podaj definicję i odpowiedni wzór.

α = f(T)

(X - ułamek molowy w fazie zaadsorbowanej, Y - ułamek molowy w fazie ciekłej lub gazowej, A,B - rozdzielane składowe)

22. Podaj typowe adsorbenty i po jednym przykładzie ich zastosowania w przemyśle

1. żel krzemionkowy - SiO₂ ^. n H₂O ; częściowo odwodniona forma polimerowego koloidalnego kwasu krzemowego (zawartość wody - ok. 5% wagowych); zastosowanie w procesach osuszania; gdy wymagane są duże ilości adsorbenta w niskich temperaturach i umiarkowanych ciśnieniach

2. aktywowany tlenek glinu - forma porowata o wysokiej powierzchni, otrzymywana z bauksytu; środek osuszający - wyższe temperatury niż dla żelu krzemionkowego

3. węgle aktywne - otrzymywane przez termiczny rozkład materiałów węglowych, a następnie aktywację wodą lub ditlenkiem węgla w T= 973 - 1373 K; zastosowanie:- adsorpcja związków organicznych podczas odkoloryzowania cukru,- oczyszczanie wody,- odzyskiwanie rozpuszczalników,- adsorpcja par benzyn w samochodach,- usuwanie SO₂ z gazów odlotowych,- maski gazowe

4. zeolity - glinokrzemiany o charakterystycznej budowie (Me_2/n ^. Al₂O₃ ^. mSiO₂ ^. p H₂O; n - wartościowość metalu, m. i p - liczby charakterystyczne dla danego zeolitu); zastosowanie - suszenie, usuwanie CO₂ z gazu naturalnego, rozdział powietrza, liniowych węglowodorów parafinowych, suszenie gazu krakingowego itp.

23. Podaj definicje: (a) katalizatora, (b) aktywności katalizatora + odpowiednie wzory i jednostki, (c) selektywność katalizatora + odpowiednie wzory i jednostki

1. katalizator jest substancją zwiększającą szybkość, z którą reakcja chemiczna osiąga stan równowagi, przy czym substancja ta sama nie wchodzi na stałe w reakcję

2. aktywność katalizatora - jest to ilościowa miara działania przyspieszającego daną reakcję chemiczną = różnica między szybkościami reakcji chemicznej z katalizatorem v_k i bez katalizatora v_h

A_k = v_k - v_h (v - [mol/m²s]; [mol/gs]; [mol/cm³s])

Aktywność charakteryzuje nie sam katalizator, ale układ katalizator - reagenty.

3. selektywność - miara działania ukierunkowującego reakcję katalityczną = stosunek ilości c_p i-tego produktu reakcji do całkowitej ilości wszystkich produktów reakcji

• selektywność S_i = stosunek ilości c_p i-tego produktu reakcji do całkowitej ilości wszystkich produktów reakcji

• selektywność S_i = stosunek szybkości jednej z kilku możliwych reakcji v_i do sumy szybkości poszczególnych reakcji

• selektywność S_i = liczba moli substancji A przekształconych w i - ty produkt (n_p,i) do całkowitej liczby moli substancji A przereagowanych do wszystkich produktów

• Uzupełnij.

1. aktywność katalizatora jest ilościową miarą działania przyspieszającego daną reakcję chemiczną

2. selektywność jest miarą działania ukierunkowującego reakcję katalityczną

• Uzupełnij:

W przypadku zastosowania katalizatora początkowa i końcowa entalpia procesu pozostają niezmienione, tak że równowagowy stopień konwersji x_e jest taki sam

26. podaj 2 przykłady ilustrujące zmianę selektywności przy zmianie x (-------------------)

27. Podaj korzyści przemysłowe z zastosowania katalizatorów:

1. wzrost aktywności: - wyższe szybkości reakcji dla tych samych warunków; równoważne szybkości reakcji przy większym stężeniu reagentów lub dla mniejszych reaktorów; równoważne szybkości reakcji dla niższych temperatur lub ciśnień; - łatwiejsza praca; - mniejsza deaktywacja

2. wzrost selektywności: - oszczędność surowców; brak procesów rozdziału; brak problemów z zagospodarowaniem odpadów; ochrona środowiska

28. Podaj definicje i 2 przykłady: (a) kataliza heterogeniczna, (b) kataliza homogeniczna

1. kataliza heterogeniczna - katalizator i reagenty znajdują się w różnych fazach

katalizator	reagenty	Przykład
Ciecz	gaz	CH2=CH2 + O2 → CH3CHO PdCl2 + CuCl2 aq
Ciecz	Ciało stałe + gaz	Uwodornienie węgla w obecności kompleksów metali przejściowych
Ciało stałe	Ciecz	Uwodornienie wyższych alkoholi na Al2O3 - SiO2
Ciało stałe	Gaz	Utlenienie CH2=CH2 do tlenku etylenu Na Ag2O
Ciało stałe	Ciecz + gaz	Uwodornienie nienasyconych kwasów tłuszczowych na Ni

2. kataliza homogeniczna - katalizator i reagenty znajdują się w jednej fazie

katalizator	reagenty	Przykład
Ciecz	ciecz	Hydroliza estrów w obecności kwasów nieorganicznych
Gaz	Gaz	utlenienie SO2 do SO3 w obecności No2
Ciało stałe	Ciało stałe	Rozkład KClO3 w obecności MnO2

29. podaj etapy reakcji katalitycznej oraz właściwości cząsteczek / lub katalizatorów, które decydują o szybkości danego etapu.

1. dyfuzja zewnętrzna - na ten etap wpływają właściwości cząsteczek (np. liczba Reynoldsa)

2. dyfuzja wewnętrzna - wpływ ma porowatość katalizatora

3. chemisorpcja - wpływ ma budowa chemiczna katalizatora - rodzaj materiału aktywnego itp.

4. Reakcje powierzchniowe - ten sam powód co w (c)

5. Desorpcja - wpływ ma budowa chemiczna katalizatora

6. Dyfuzja wewnętrzna - wpływ ma porowatość katalizatora

7. Dyfuzja zewnętrzna - wpływ mają właściwości chemiczne cząsteczek

30. Podaj typowe składowe katalizatora.

1. składnik aktywny

2. nośnik

3. promotory

31. jaką rolę w katalizatorze pełni: (a) materiał aktywny, (b) nośnik, (c) promotory

1. materiał aktywny odpowiada za reakcję chemiczną

2. nośnik - dostarcza wysokiej powierzchni składnikowi aktywnemu, utrudnia spiekanie, zwiększ wytrzymałość termiczną i mechaniczną, wprowadza dodatkowe centra aktywne, modyfikuje właściwości materiału aktywnego

3. promotory - wspomagają materiał aktywny lub nośnik, mogą zwiększać aktywność, selektywność, stabilność, hamować deaktywację

32. Podaj klasyfikację materiałów aktywnych oraz typy reakcji katalizowanych przez dany typ materiału aktywnego.

klasa	przewodnictwo	Typ reakcji	Przykłady
Metale	Przewodniki Redox	Uwodornienie, hydrogenoliza, Utlenienie	Fe, Ni, Pt, Pd, Cu, Ag
Tlenki, siarczki	Półprzewodniki Redox	Selektywne utlenianie i uwodornienie, hydrogenoliza	NiO, ZnO, CuO, Cr2O3, MoS2
tlenki	Izolatory, forma pośrednia -jony karboniowe	Polimeryzacja, izomeryzacja, kraking, odwodnienie	Al2O3, SiO2, MgO, SiO2 - Al2O3 zeolity

33. Podaj: (a) definicję stopnia dyspersji oraz odpowiedni wzór; (b) związek między powierzchnią metalu naniesionego na nośnik a ilością eksponowanych atomów metalu; (c) wzór wiążący wielkość krystalitu metalu z powierzchnią metalu.

1. D [%] = N_S/N_T

(N_S - ilość atomów Me na powierzchni [1/g]; N_T - ilość wszystkich atomów Me [1/g])

Ważny jest dla aktywności katalizatora, zachowania (lub nie) właściwości metalicznych. Powiązany jest z powierzchnią Me (ilością centrów aktywnych)

2. S_Me [m²/g] = N_S ^. S_X (S_X - powierzchnia zajmowana przez 1 atom Me)

3. d_k = 5 V / S_Me (V - całkowita objętość Me)

34. Uzupełnij:

Wzrost wielkości krystalitów na skutek warunków reakcyjnych (temperatura, czas) nosi nazwę spiekanie

35. Co to jest? (a) temperatura Tammana, (b) temperatura Huttiga

1. temperatura Tammana (0,5 temperatury topnienia) - temperatura, w której są ruchliwe atomy w ciele stałym

2. temperatura Huttiga (0,3 temperatury topnienia) - temperatura, w której atomy powierzchniowe stają się ruchliwe

36. Wyjaśnij, co to jest katalizator bifunkcyjny i jaka jest rola jego składowych w reakcji izomeryzacji alkanów?

Np. Pt/ζ - Al₂O₃

n ^. C₆H₁₄ → (a, Pt) n C₆H₁₂ → (b, Al₂O₃) i - C₆H₁₂ → (c, Pt) i - C₆H₁₄

(a - odwodornienie (Pt); b - izomeryzacja (Al₂O₃); c- uwodornienie (Pt))

37. podaj 4 typowe nośniki.

1. ζ - Al₂O₃

2. SiO₂

3. Węgiel aktywny

4. Glinokrzemiany (zeolity, materiały glinowe)

38. Opisz rolę promotora na wybranym przykładzie

Zwiększenie stabilności Al₂O₃ : preferowana faza ζ

---