4. катализ и реакции на поверхности

4.4. Реакции на поверхности

4.4.1. Титрование кислорода, адсорбированного на металле, водородом идёт по схеме

H₂ (газ) 2 H,

O + 2 H H₂O (газ).

Молекулы газовой фазы отмечены индексом (газ), остальные частицы адсорбированы. Кинетические уравнения, соответствующие стадиям (1) и (2), имеют вид

,

где Р_Н2 – давление водорода, q_t = q_O + q_H – полное покрытие, k₁ = 10⁶ Па^–1с^–1; k_–1 = 10⁴ c^–1; k₂ = 10² c^–1. Титрование проводится при Р_Н2 = 10^–6 Па. В начальный момент времени q_O = 0,9; q_H = 0.

Найдите, за какое время покрытие поверхности кислородом достигнет величины q_О = 0,1.

4.4.2. Один из возможных механизмов окисления водорода на поверхности металла имеет вид

1) Н₂ (газ) 2 Н,

2) О₂ (газ) 2 О,

3) О + Н ОН,

4) ОН + Н Н₂О (газ).

Молекулы газовой фазы отмечены индексом (газ), остальные частицы адсорбированы. Кинетические уравнения, соответствующие стадиям 1–4, имеют вид

,

,

где q_t = q_O + q_H + q_OH – полное покрытие поверхности адсорбированными частицами; k₁ = k₂ = 10⁶ Па^–1с^–1; k_–1 = 1 c^–1; k₃ = 10⁴ c^–1; k₄ = 10⁶ c^–1; P_H2 и P_O2 – давление водорода и кислорода. Реакция проводится в стационарных условиях при избытке кислорода: P_H2 << P_O2 £ 10^–5 Па. Найдите зависимость скорости реакции от давлений водорода и кислорода.

4.4.3. Титрование кислорода, адсорбированного на поверхности металла, водородом идёт по схеме

H₂ (газ) 2 Н,

О + Н ОН,

ОН + Н Н₂О (газ).

Молекулы газовой фазы отмечены индексом (газ), остальные частицы адсорбированы. Кинетические уравнения, соответствующие стадиям (1)–(3), имеют вид

где Р_Н2 – давление водорода, q_t = q_О + q_Н + q_ОН – полное покрытие, k₁ = 10⁶ Па^–1с^–1; k_–1 = 1 с^–1; k₃ = 10⁴ c^–1; k₄ = 10⁶ с^–1. Титрование проводится при давлении Р_Н2 = 10^–6 Па. В начальный момент времени q_О = 0,9; q_H = q_OH = 0. Найдите, за какое время покрытие поверхности кислородом достигнет величины q_О = 0,1.

4.4.4. Реакция АВ + С ¾® А + ВС протекает по схеме

1) (АВ)_газ (AB),

2) C_газ C,

3) (AB) A + B,

4) B + C (BC)_газ,

5) A A_газ.

Молекулы газовой фазы отмечены индексом (газ), остальные частицы адсорбированы. Стадия (5) протекает столь быстро, что частицы А на поверхности фактически отсутствуют. В этом случае кинетические уравнения, описывающие реакцию, имеют вид

dq_AB/dt = k₁P_AB(1 – q_AB – q_C – q_B) – k_–1q_AB – k₃q_AB(1 – q_AB – q_C – q_B),

dq_C/dt = k₂P_C(1 –q_AB – q_C – q_B) – k_–2q_C – k₄q_Bq_C,

dq_B/dt = k₃q_AB(1 – q_AB – q_C – q_B) – k₄q_Bq_C,

где Р – давление, q – степень покрытия поверхности. Предполагая, что реакция происходит стационарно и реализуются соотношения k₁P_AB << k_–1; k₂P_C << k_–2; k₃ << k_–1 и k₄ << k_–2, определите при каком условии степень покрытия поверхности частицами В (т. е. q_В) будет близка к единице.

4.4.5. Поверхность платины насыщена СО (q_СО = 0,5; теплота адсорбции СО равна 20 ккал/моль). Сколько времени система должна находиться в вакууме, чтобы q_СО стало меньше 0,1? Процессы реадсорбции во внимание не принимать.

4.4.6. Под действием рентгеновского излучения в атмосфере кислорода на поверхности твердого тела образуются короткоживущие активные центры А* хемосорбции кислорода

Считая, что хемосорбция при Т = 500 °С протекает по механизму Или – Ридила с коэффициентом прилипания e » 10^–1, определите зависимость начальной скорости хемосорбции W_хем от давления кислорода Р_О2 и оцените значения W_хем при Р_О2 = 100 торр и 10^–6 торр. Время жизни активных центров 10^–3 с, скорость их образования 3 × 10¹⁰ см^–2с^–1. Состояние А неактивно в процессе хемосорбции.