表面化学与多相催化

华东理工大学2014-2015学年第一学期 《表面化学与催化》课程论文 班级 工程144班 学号 Y30140845 姓名 丁立新 开课学院 化工学院 任课老师 朱卡克、陈立芳 成绩

论文题目：表面化学与催化课程论文 论文要求： 通过对表面化学与催化课程的学习，结合本课程知识点,论述自己的观点，力求针对问题，观点正确，论证有理，逻辑性强。 1.杜绝抄袭，否则以0分计，并上报研究生院和所在学院； 2.请在本学期结束前（1月18日）上交考察论文； 3.结合课程内容和教师发给大家的相关论文； 4.阐述基本原理，最好图文并茂，总文字不少于3000字; 5.引用文献，请标注。 教师评语： 教师签字： 日期：

1. 在H2-TPR实验中要选择合适的条件才能得到正确的谱图，请结合其基本原理阐述如何选择H2-TPR的条件？

TPR是一种在等速升温的条件下进行的还原过程[1]。具体来讲，在TPR实验中，以一定量金属氧化物催化剂置于固定床反应器中，还原性气流以一定流速通过催化剂，同时让催化剂以一定速率线性升温，当温度达到某一数值时，催化剂上的氧化物开

多相催化反应动力学

§1 引言

§2 扩散与反应§3 机理模型法建立速率方程

§4 动力学方法与反应机理

多相催化的基本反应步骤：1-2:反应物分子从气流中向催化剂表面(外扩散) 和孔内扩散(内扩散); 3: 反应物分子在催化剂内表面上吸附(反应物 的化学吸附); 4: 吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用 或与气相分子作用进行化学反应(吸附分子 的表面反应或转化); 5: 反应产物从催化剂内表面脱附(产物的脱附 或解吸); 6-7:反应物在孔内扩散(内扩散)并扩散到反应 气流中(外扩散) 。

速率控制步骤 催化反应一般由许多基元反应所组成，其中反 应速率最慢的一步就称为速率控制步骤。

推论： 在定态的时候，其它反应步骤的反应速率都大 于速率控制步骤； 除速率控制步骤以外，其它反应步骤都近似处 于平衡状态

表面质量作用定律均相反应质量作用定律在表面催化反应过程动力学中 的推广。反应速率与反应物浓度成正比

对于反应： aA bB 产物

a b a b r K C表 K A B A C 表B

二、扩散与反应 气固相催化反应过程中的浓度分布着重讨论物理过程(包括气固相之间和固相内的质量传 递)对催

第三章

多相催化动力学

引论：催化分为均相催化和多相催化。 均相催化：是指催化剂与反应介质不可区分，与介质 中的其他组分形成均匀物相的反应体系。 多相催化：是指催化剂和反应介质不在同一个相，因 此又叫非均相催化，催化剂多为固体。 如固体酸碱催化、分子筛催化、金属催化和金属氧化 物催化等。

就工业应用来说，多相催化较均相催化应用要普遍得

多，这是因为均相催化剂难于与反应介质分离。一般来说，均相催化动力学和反应机理清楚明晰，易于研

究和把握，因此利用均相催化剂的固相化研究反应机理，目前受到催化科学家的广泛重视，成为主攻方向 之一。要了解多相催化反应机理，必须确切了解吸附 相中表面络合物的结构和性质。这个表面络合物是在 反应物吸附之后，产物脱附之前的中间阶段形成的, 但要确切地鉴定这些表面络合物也是很不容易的。

因此，多相催化要比均相催化复杂得多，在这 一领域，工业成就的进展比基础理论研究的进 展要快得多，而且与后者无直接的联系。多相 催化动力学，由于传递现象的介入，使得动力 学方程变得复杂起来，而且容易得出错误的结 论。本章目的在于介绍多相催化动力学的基础 知识和基本概念，重点介绍当有传递现象的介 入时，化学动力学和物理动力学共同作用下的 颗粒级的传质现

胶体与表面化学复习题 The pony was revised in January 2021

胶体与表面化学复习题

一、选择题

1. 一个玻璃毛细管分别插入20℃ 和70℃ 的水中，则毛细管中的水在两不同温度水中上

升的高度（ C ）。

(A) 相同；(B) 无法确定；

(C) 20℃ 水中高于70℃ 水中；(D) 70℃ 水中高于20℃ 水中。

2. 下列叙述不正确的是（ D ）。

(A) 比表面自由能的物理意义是，在定温定压下，可逆地增加单位表面积引起系

统吉布斯自由能的增量；

(B) 表面张力的物理意义是，在相表面的切面上，垂直作用于表面上任意单位长

度功线的表面紧缩力；

(C) 比表面自由能与表面张力量纲相同，单位不同；

(D) 比表面自由能单位为J·m2，表面张力单位为N·m－1时，两者数值不同。

3. 已知20℃ 时水～空气的界面张力为× 10－2N·m－1，当在20℃ 和100kPa下可逆地增

加水的表面积4cm2，则系统的ΔG为（ A ）。

(A) × 10－5 J ；(B) × 10－1 J ；

(C) －× 10－5 J ；(D) －× 10－1 J 。

4.在一个密闭

7.多相催化反应器的设计与分析

7.1 若气体通过固定床的线速度按空床计算为0.2m/s,则真正的线速度为多少?已知所填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm3,颗粒密度为1.8 g/cm3

解:

??1?u真正??b1.2?1??0.3333?p1.8u空床

7.2 为了测定形状不规则的合成氨用铁催化剂的形状系数,将其填充在内径为98mm的容器中,填充高度为1m,然后边续地以流量为1m3/h的空气通过床层,相应测得床层的压力降为101.3Pa,实验操作温度为298K,试计算该催化剂颗粒的形状系数.已知催化剂颗粒的等体积相当直径为4mm,堆密度为1.45g/cm3,颗粒密度为2.6 g/cm3.

解:

??0.2?0.6m/s0.3333

?p?101.3Pa?101.3kg/m?s2,Lr?1m,??1.185kg/m3??1.87?10?5Pa?s?1.87?10?5kg/m?s,dv?4?10?3m1u0??0.03685m/s23600?0.785(0.098)?b1.45??1??1??0.4423?p2.60Lru20??1???由(7.1)式?p=fdp?3

根据(6.4)式可推导出ψa=dp/dv,式中dp为等比外表面积相当直

一、 选择题

1、弯曲表面上附加压力的计算公式中p?2?R,R的取号为 ( A )

（A）液面为凸面时为正，凹面为负 （B）液面为凸面时为负，凹面为正

（C）总为正 （D）总为负 提示：凸面的附加压力方向与外压相同，附加压力与外压相加等于总压力。而凹面的情况相反。

2、下列说法中不正确的是 （ B ）

（A）生成的新鲜液面都有表面张力 （B）弯曲液面上的张力指向曲面的中心 （C）平面液体上没有附加压力

（D）弯曲液面上的附加压力指向曲面的中心

提示：液面上的表面张力总是垂直于边界与表面相切，指向液体的方向。

3、 液体在毛细管中上升的高度与下列哪一个因素无关？ （ D ）

（A）温度 （B）液体密度 （C）重力加速度 （D）大气压力 提示：p?2?R??gh,与液体的性质和毛细管的半径r=Rcosθ,与大

气压力无关。

4、在一定的温度和压力下，有两个半径相同的肥皂泡，泡（1）在肥皂水中，泡内的压力为p1，泡（2）漂浮在空气中，泡内的压力为p2，

再者压力的关系为 （ C ） （A）p1?比较

提示：空中的肥皂泡

一、 选择题

1、弯曲表面上附加压力的计算公式中p?2?R,R的取号为 ( A )

（A）液面为凸面时为正，凹面为负 （B）液面为凸面时为负，凹面为正

（C）总为正 （D）总为负 提示：凸面的附加压力方向与外压相同，附加压力与外压相加等于总压力。而凹面的情况相反。

2、下列说法中不正确的是 （ B ）

（A）生成的新鲜液面都有表面张力 （B）弯曲液面上的张力指向曲面的中心 （C）平面液体上没有附加压力

（D）弯曲液面上的附加压力指向曲面的中心

提示：液面上的表面张力总是垂直于边界与表面相切，指向液体的方向。

3、 液体在毛细管中上升的高度与下列哪一个因素无关？ （ D ）

（A）温度 （B）液体密度 （C）重力加速度 （D）大气压力 提示：p?2?R??gh,与液体的性质和毛细管的半径r=Rcosθ,与大

气压力无关。

4、在一定的温度和压力下，有两个半径相同的肥皂泡，泡（1）在肥皂水中，泡内的压力为p1，泡（2）漂浮在空气中，泡内的压力为p2，

再者压力的关系为 （ C ） （A）p1?比较

提示：空中的肥皂泡

第五章 单一表面活性剂的稀溶液性质

5.1 表面活性和表面活性剂

5.1.1 两亲分子和水的表面张力下降

在第二章中已讨论了溶质自溶液中的吸附。根据Gibbs吸附定理，产生正吸附的溶质使 表面张力降低，而产生负吸附的溶质使表面张力升高。引起表面张力变化的物质大致可分为三类，如图2-4所示。

若仅就降低表(界)面张力这一特性而言，我们将能使溶剂的表(界)面张力降低的性质称为表(界)面活性(对此溶剂而言)。能使表(界)面张力降低的物质相应地称为表(界)面活性物质，反之称为非表(界)面活性物质。就水这一物质而言，图2-4表明，无机盐为非表面活性物质，而极性有机物为表面活性物质。特别值得注意的是曲线3代表的一类物质，它们在很低的浓度时就能使表面张力显著下降，并较极性有机物使表面张力降得更低，但当浓度增加至一定值后，表面张力就不再下降。具有这些特征的物质通常称为表面活性物质或表面活性剂，它们具有较强的亲水性，为水溶性物质。

5.1.2 表面活性剂的分子结构特点

表面活性剂是一类具有双亲分子结构的物质，即分子中包含了亲油基和亲水基两部分，可用图5-1中的火柴梗模型来表示。亲油基通常为长链碳氢链，亲水基则为离子或非离子基团。

导入网格

2 定义求解器

3 开启能量方程

4 操作工况参数operating conditions

1 操作压力的介绍

关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。ANSYS FLUENT中有以下几个压力，即Static Pressure（静压）、Dynamic Pressure（动压）与Total Pressure（总压）；Absolute Pressure（绝对压力）、Relative Pressure（参考压力）与Operating Pressure（操作压力）。

这些压力间的关系为，Total Pressure（总压）=Static Pressure（静压）+Dynamic Pressure（动压）；Absolute Pressure（绝对压力）=Operating Pressure（操作压力）+Gauge Pressure（表压）。

其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。静压是测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。

而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT引入的压力参考量，在ANSYS FLUENT中，所有设定的压力都默认为表压。这是考虑到计算精度的问题。

2 操作压力的设定

设定操

第二章 自溶液的吸附

上一章阐述了由于Van der Walls引力的作用，物质表面分子具有过剩自由能，并表现为表（界）面张力。而任何体系总是趋向于降低自身的自由能，于是液体有自动缩小表面积的趋势。固体表面的分子不能移动，因此固体不会象液体那样自行收缩表面。但它会通过吸附其它物质如气体或溶液中的溶质来降低其表面过剩自由能。这就是固体表面上发生物理吸附的由来。对大体积液体，通常其表面积也不易改变。当液体中溶有溶质时，溶质也可能吸附于液体表面而使液体的表面张力改变。由于液体表面张力易于测定，因此研究溶液中的吸附及其与表面张力变化之间的关系就较为方便。本章将讨论自溶液中的吸附，包括流体界面（气/液界面和液/液界面）和固/液界面的吸附，并导出溶液表面化学中的一个极其重要的方程式——Gibbs吸附公式。而固/气界面上的物理吸附则不在讨论之列。读者可参考有关的专著。

2.1 流体界面上的吸附? Gibbs吸附等温式

2.1.1 Gibbs表面过剩

图2-1 实际流体界面相 图2-2 理想化流体界面相

考虑如图2-1所示的由两个不同流体相? 相和? 相所构成的体系。两相的接触区域AA’BB’为界