АННОТАЦИИ СПЕЦКУРСОВ КАФЕДРЫ КАТАЛИЗА И АДСОРБЦИИ


КАТАЛИЗ

4 курс, 7-8 семестры
76 часов лекций и 38 часа семинаров
д.х.н., профессор В.И.Бухтияров

Современная концепция единства гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа. При феноменологическом описании явлений катализа излагаются основные причины возникновения каталитических эффектов, вводятся понятия активного центра катализатора и каталитического цикла. Формы промежуточных химических взаимодействий при катализе, явления химической активации веществ. Представления об особенностях каталитической активации веществ с участием газообразных, жидких и твердых катализаторов. Дальнейший курс построен на фактологическом описании принципов каталитического действия катализаторов разной природы: кислот и оснований, цеолитов, комплексов переходных металлов, твердых окислов, металлов, сульфидов металлов, твердых металлоорганических систем, кластеров металлов, некоторых металлоферментов. Механизмы протекания на этих катализаторах наиболее важных процессов: гидролиза, изомеризации, полного и парциального окисления, гидрирования, карбонилирования, полимеризации олефинов, восстановительной олигомеризации окиси углерода, синтеза аммиака, гидроочистки и реформинга, синтеза метанола, серной кислоты и ряда других. Специальный раздел курса посвящен освещению вопросов предвидения каталитического действия, прогнозирования состава активных центров и методов их конструирования. Исторические этапы развития теоретических представлений в катализе, современные тенденции в развитии методов поиска катализаторов. Сведения о роли компьютерной техники в реализации этих подходов.


АДСОРБЦИЯ И ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА

4 курс, 7 семестр
36 часов лекций, 36 часов семинаров и 27 часов практических занятий
д.х.н., профессор В.Б.Фенелонов

Современные представления о строении (текстуре) и морфологии пористых тел, их классификации и моделирование на основе статистической теории упаковок, теории перколяции, фракталов и др., методы количественной микроскопии, основные соотношения между текстурными характеристиками, методы их определения и интерпретации результатов измерений. Основы теории поверхностных и адсорбционных явлений, типы взаимодействий, термодинамика адсорбции, уравнения изотерм Гиббса, Ленгмюра, БЭТ, Фаулера-Гуггенгейма, Хилла-де Бура, Френкеля-Хелси-Хилла и др., адсорбция на энергетически неоднородной или фрактальной поверхности, особенности адсорбции в микропорах, на поверхности и в объеме мезопор, закономерности капиллярной конденсации, распределения и перераспределения флюидов, современные методы моделирования на основе молекулярной динамики и Монте-Карло, методы экспериментального исследования физической и химической адсорбции, измерения дисперсности, поверхности и других текстурных характеристик. Основные свойства пористых тел (гетерогенных катализаторов, адсорбентов, керамики разного назначения и др.), типовые механизмы формирования и изменений их текстуры в различных условиях (поверхности, пористости, их распределения и распределения отдельных компонентов по размерам и пространству и т.д.). Закономерности коллоидной химии и физики кластеров, кривизна поверхности, строение, синтез и свойства мезопористых мезофаз (наноструктур), особенности массообмена в пористых и дисперсных системах (кинетика и динамика адсорбции), применение адсорбентов и других пористых материалов для задач очистки и разделения веществ, хранения энергии или адсорбированных компонентов, демпфирования колебаний концентрации, давления и т.д. Программа практических занятий включает следующие темы: экспериментальные измерения изотерм адсорбции и десорбции азота при 77К (включая область капиллярно-конденсационного гистерезиса) и распределения пор по размерам методом ртутной порометрии на приборах фирмы Micrometrics, анализ полученных результатов (расчет удельной поверхности, объема микропор, распределения объема разных типов пор по характерным размерам), решение 1-2 задач разной сложности по тематике курса с 10-15 минутным докладом каждого студента.


ИНЖЕНЕРНАЯ ХИМИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

5 курс, 9 семестр
40 часов лекций и 72 часа компьютерный курс
к.х.н., доцент С.А.Покровская, к.т.н., ст.преп. Н.В.Верниковская

Способы осуществления каталитических процессов в промышленности и типы каталитических реакторов. Физическое и математическое моделирование. Методы построения и типы математических моделей, их детализация. Термодинамика и кинетика каталитических реакций. Требования к кинетической модели. Стационарные и нестационарные кинетические модели. Процессы на пористом зерне катализатора. Критерий Тиле и наблюдаемая скорость реакции. Области протекания реакции. Моно- и бидисперсная структуры. Математические модели каталитических реакторов различных конструкций. Устойчивость и регулирование тепловых режимов. Способы осуществления оптимальных температурных режимов для необратимых и обратимых реакций. Неподвижный слой катализатора, его структура. Гидродинамическое сопротивление. Оптимальные размеры и форма зерен катализатора. Внешний масса- и теплообмен. Реакторы с взвешенным и движущимся слоями катализатора. Реакторы с восходящим потоком. Области существования взвешенного слоя. Двухфазная модель. Жидкофазные процессы. Аэродинамика (гидродинамика) каталитических реакторов. Гидравлические режимы движения реагентов. Распределение реагентов в аппаратах. Методы расчета и оптимизации химико-технологических схем. Процессы подготовки сырья, выделения и очистки продуктов. Обзор современных промышленных каталитических процессов: переработка нефти и природного газа, производство аммиака, метанола, серной кислоты, селективное окисление углеводородов, процессы газоочистки. Полимеризация. Нестационарные процессы в катализе. Примеры процессов в нестационарных условиях. Современные тенденции в развитии каталитических процессов. Компьютерный курс включает семинары и лабораторные работы. Рассматриваются задачи по разделам: исследование стационарных и нестационарных кинетических моделей каталитических реакций; анализ процессов в пористом зерне катализатора; моделирование процессов в слое реактора идеального смешения и вытеснения; расчет полей концентраций и температур в слое, определение зависимости выходных характеристик процесса от различных параметров модели, исследование переходных режимов и устойчивости стационарных решений; расчет конкретных процессов в реакторах с неподвижным и взвешенным слоями катализатора на основе упрощенных математических моделей.


КВАНТОВОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В КАТАЛИЗЕ

4 курс, 8 семестр
16 часов лекций и 12 часов практических занятий
к.ф.-м.н., доцент Игорь Леонидович Зильберберг

Принцип суперпозиции состояний. Пространство векторов состояний Дирака. Линейные операторы. Базисные векторы. Среднее значение измеряемой физической величины. Законы сохранения. Уравнение Шредингера. Принцип неопределённостей. Гамильтониан N-электронной системы. Атомные единицы. Электронная энергия. Полная энергия молекулы. Полный гамильтониан. Приближение Борна-Оппенгеймера. Поверхность потенциальной энергии. Принцип неразличимости частиц в квантовой механике. Антисимметричность электронной волновой функции. Понятие пространственной и спин-орбитали. Слейтеровский детерминант. Матричные элементы одно- и двухэлектронной части электронного гамильтониана между детерминантными функциями. Энергия однодетерминантного состояния. Электронная энергия системы с закрытой оболочкой. Кулоновский и обменный интеграл. Минимизация энергии однодетерминантной волновой функции. Кулоновский и обменный оператор. Уравнения Харти-Фока. Приближение МО ЛКАО. Уравнения Рутана. Блок-схема решения уравнений Рутана в квантовохимических программах. Системы базисных функций. Орбитали слейтеровского и гауссова типа. Валентно-расщепленный базис. Teoрия функционала плотности. Области применения квантовохимических методов. Практика конкретных вычислений.

Литература

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Квантовая механика. - М.: Мир, 1978.
Дирак П.А.М. Принципы квантовой механики. - М. ГФМЛ. 1960.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Квантовая Механика. - М.: ГФМЛ, 1974.
Мак-Вини Р., Сатклиф Б. Квантовая механика молекул. - М.: Мир, 1972.
Фудзинага С. Метод молекулярных орбиталей. - М.: Мир, 1983.
Szabo A., Ostlund N.S. Modern quantum chemistry. - Dover, Mineola, New York, 1996.
Абаренков И.В., Братцев В.Ф., Тулуб А.В. Начала квантовой химии, М.: Высш. Школа, 1989.
Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. - Феникс, 1997.
Счастнев П.В. Теория электронных оболочек молекул. - НГУ, Новосибирск, 1973.
Жидомиров Г.М., Багатурьянц А.А., Абронин И.А. Прикладная квантовая химия. - М.: Химия, 1979.


ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В КАТАЛИЗЕ И АДСОРБЦИИ

4 курс, 8 семестр
ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ЯМР И ЭПР СПЕКТРОСКОПИИ
12 часов лекций и 12 часов практических занятий
д.х.н., профессор Е.П.Талзи

Общие представления о ядерном и электронном магнитном резонансе. Уравнение Блоха. Времена продольной и поперечной релаксации. Вращающаяся система координат. Форма линии и молекулярное движение. Импульсная ЯМР-Фурье спектроскопия. Спектральный анализ и преобразование Фурье. Измерение времени продольной и поперечной релаксации. Спектры ЯМР и их интерпретация. Химический сдвиг. Мультиплетная структура фрагментов спектра. Эффекты "динамического сужения". Интегральная интенсивность линий в спектре ЯМР. Эффект Оверхаузера. Спин декаплинг. Перенос намагниченности. Двумерная ЯМР спектроскопия. ЯМР спектроскопия твердого тела. Анизотропия химического сдвига. Форма линии поликристаллических образцов. Вращение под магическим углом. Крос-поляризация. ЭПР спектроскопия. Спин-гамильтониан. Интерпретация спектров ЭПР поликристаллических образцов. Применение ЭПР спектроскопии для иссле-дования строения комплексов переходных металлов. Практикум по ЭПР и ЯМР спектроскопии включает: измерение ЭПР и ЯМР спектров эталонных соединений, самостоятельный расчет параметров ЭПР комплексов ванадия и меди в жидких и замороженных растворах, сопоставление экспериментальных спектров с теоретически рассчитанными спектрами, определение структуры неизвестного соединения по его спектрам ЯМР.

ЧАСТЬ 2. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ В КАТАЛИЗЕ

12 часов лекций и 12 часов практических занятий
д.х.н., профессор В.В.Малахов

Характеристика химического состава катализаторов, исходных веществ и продуктов каталитических реакций. Элементный и молекулярный (в т.ч. фазовый) анализ. Метрология химического анализа. Методы анализа катализаторов и носителей. Химические и физико-химические методы: гравиметрия, титриметрия, колориметрия, спектрофотометрия, электро-химические методы (полярография, потенциометрия, в т.ч. ионселективные электроды). Физические методы: оптическая атомная спектроскопия, атомно-абсорбционная спектрофотометрия, рентгеновская спектроскопия (рентгенофлуоресцентный анализ, микроанализ). Химический фазовый анализ гетерогенных катализаторов и носителей. Области преимущественного использования различных методов химического анализа. Специальные требования к методам химического анализа. Термоаналитические методы. Анализ исходных веществ и продуктов каталитических реакций. Основные методы молекулярного анализа сложных смесей. Смеси соединений органической и неорганической природы. Химические, физические и физико-химические методы обнаружения, идентификации, разделения и количественного определения соединений: титриметрические, спектральные, спектрофотометрические, электрохимические, хроматографические, хромата-масс-спектроскопия. Хроматография как основной метод анализа состава сложных смесей химических соединений.

ЧАСТЬ 3. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В АДСОРБЦИИ И КАТАЛИЗЕ

12 часов лекций и 18 часов практических занятий
д.х.н., доцент Е.А.Паукштис

Оптические методы исследования веществ. Классификация оптических методов. Роль оптических методов в исследованиях свойств поверхности. Экспериментальные основы оптической спектроскопии. Устройство и принципы работы однолучевых дисперсионных спектрометров. Устройство и принципы работы двухлучевых спектрометров. Устройство и принципы работы Фурье спектрометров. Спектроскопия комбинационного рассеяния и флуориметрия. Кюветная техника в спектроскопии поверхности. Применение ИК спектроскопии. Физические основы метода. Задачи, решаемые с помощью ИК спектроскопии: исследование фазового состава, исследования состояния поверхности, исследования механизмов реакций на поверхности. Методы интерпретации колебательных спектров. Метод молекул зондов в исследовании свойств поверхности. Исследования кислотно-основных свойств поверхности. Измерения поверхностных концентраций. Изучение механизмов реакций в условиях in situ. Примеры детального исследования механизмов каталитических реакций на поверхности: изомеризация олефинов, дегидратация спиртов, дезаминирование органических аминов. Методика диффузного отражения. Применение спектроскопии КР. Физические основы метода. Задачи, решаемые методом КР. Осложнения метода при изучении поверхности. Применение метода УФ-Вид спектроскопии. Физические основы метода. Задачи метода в области исследования твердых катализаторов: изучение состояния катионов переходных металлов, спектры адсорбированных органических молекул, спектроскопия плазменного резонанса для металлов. Методика диффузного отражения. Методы интерпретации спектров. Применение метода флуориметрии. Физические основы метода. Особенности использования метода при исследовании поверхности катализаторов.

ЧАСТЬ 4 РЕНТГЕНОВСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КАТАЛИЗАТОРОВ

14 часов лекций и 12 часов практических занятий
д.ф.-м.н., доцент Д.И.Кочубей

Рентгеновская дифракция. Диффузное рассеяние рентгеновского излучения (метод РРА). Малоугловое рассеяние рентгеновского излучения. EXAFS спектроскопия. Электронография. Просвечивающая электронная микроскопия. Сканирующая электронная микроскопия. Электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА). Оже-спектроскопия. Рентгеновская эмиссионная спектроскопия. По каждому методу рассматриваются: принцип действия, извлекаемая информация, производительность, погрешность, пределы чувствительности, требуемые количества катализатора, основные методики и их особенности.


НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

4 курс, 7 семестр
36 часов лекций и 36 часа семинаров
к.х.н., доцент Н.А.Пахомов

Задачи и цели научных основ приготовления катализаторов. Зависимость основных характеристик катализаторов от условий приготовления. Классификация катализаторов по состоянию активного компонента и методам приготовления. Роль носителей в катализаторах. Требования, предъявляемые к исходному сырье для приготовления катализаторов. Физико-химические основы получения катализаторов методами осаждения, нанесения и механического смешения. Стадийный механизм формирования гидроксидов при коллоидно-химическом осаждении. Основы классической теории кристаллизации и положения теории кристаллизации мало растворимых гидроксидов по механизму ориентированного наращивания. Классификация уровней взаимодействия гидроксидов при соосаждении. Способы и механизмы закрепления предшественника активного компонента на поверхности носителей в однокомпонентных и многокомпонентных катализаторах. Типы распределения активного компонента по зерну носителя и способы его регулирования. Процессы, протекающие при термической обработке катализаторов: термическое разложение, спекание, полиморфные превращения, твердофазные реакции. Факторы, влияющие на глубину взаимодействия компонента в катализаторах, полученных методом смешения. Основы методов грануляции катализаторных масс.


МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДИЗАЙН КАТАЛИЗАТОРОВ

5 курс, 9 семестр
12 часов лекций и 12 часов практических занятий в компьютерном классе
к.х.н. доцент В.Л.Кузнецов

Общие принципы дизайна (разработки) катализаторов. Классические подходы и подходы, базирующиеся на молекулярных моделях. Молекулярное распознавание (Считывание информации, Молекулярные рецепторы, Матричный синтез, Супрамолекулярный катализ, Комплементарность активного центра и субстрата). Эффекты сближение химических объектов, групп. Молекулярное моделирование объектов живой природы. Активные центры ферментов. Коплементарность строения ферментов и переходного активного центра. Полифункциональность активных центров, эффекты микросреды. Строение и механизмы действие наиболее важных ферментов. Биомиметика. Молекулярные пинцеты, ловушки и проч. Химические модели гемоглобина, миоглобина, нитрогеназы, фотосистемы растений. Методы приготовления катализаторов на основе иммобилизованных ферментов, клеток - использование материалов природы для конструирования каталитических систем. Транспорт в химических системах. Методы организации проведения каталитических процессов. Принципы построения каталитических систем с использованием мембранных материалов Фотохимические процессы. Жидкости чувствительные к воздействию полей. Формирование нанообъектов. Высокотемпературные методы формирования веществ с заданными свойствами. Темплатный синтез химических объектов с заданными свойствами. Нанесенные металлорганические катализаторы. Разработка катализаторов с заданными молекулярно-ситовыми свойствами. Цеолиты и цеолито-подобные вещества. Слоистые материалы с регулируемым межслоевым пространством. Математические методы моделирования и исследования строения и свойств химических объектов на примере программ молекулярного моделирования (HyperChem, ChemOffice) Практические занятия по моделированию химических объектов (каталитических центров).


СПЕЦСЕМИНАРЫ

КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГЕТЕРОГЕННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

4 курс, 7 семестр
26 часов семинаров и 4 часа лабораторных занятий
к.х.н., доцент В.И.Елохин

Введение в проблему, начиная с исторических этапов развития химической кинетики и определения основных понятий. Сложность механизма химической реакции и закон действующих поверхностей для элементарной реакции. Физико-химические требования к кинетической модели, как основе расчета химических реакторов. Основные положения идеального и реального адсорбированного слоя. Виды неоднородности и их влияние на кинетические закономерности (биографическая и индуцированная неоднородность). Теория стационарных реакций. Гипотеза квазистационарности каталитической реакции. Наблюдаемые реагенты и промежуточные вещества, стехиометрические числа и маршруты реакции. Скорость по маршруту. Уравнение стационарности стадий. Уравнение стационарных реакций. Применение теории графов для стационарных реакций с линейным механизмом. Структурированная форма стационарного кинетического уравнения для реакции с многомаршрутным линейным механизмом. Наблюдаемый порядок и наблюдаемая энергия активации реакций с линейным механизмом. Нестационарные кинетические модели. Релаксация cкopocти каталитических реакций. Типы релаксаций, времена релаксации, связь времени релаксации и стационарной скорости реакции, классификация релаксаций. Элементы качественной теории дифференциальных уравнений (применительно к химической кинетике), устойчивость стационарных состояний. Критические явления в химической кинетике, интерпретация этих явлений. Учет воздействия реакционной среды в кинетических моделях. Экспериментальные методы изучения кинетики. Статические и проточные (динамические) методы, интегральные и дифференциальные реакторы. Модели идеальных реакторов - идеального смешения и идеального вытеснения. Методы исследования нестационарных процессов. Использование физических методов в кинетических исследованиях. Массо- и теплоперенос в химической кинетике. Основные законы массо- и теплопереноса, теория подобия, критериальные зависимости. Области протекания процесса в единице реакционного объема - кинетическая, внутри- и внешнедиффузионная. Внутренняя диффузия. Модель массо- и теплопереноса на зерне катализатора. Влияние пористой структуры на скорость реакции. Наблюдаемая скорость реакции, критерий Тиле-Зельдовича и степень использования. Внешняя диффузия. Ламинарный и турбулентный режимы. Методы обработки кинетического эксперимента. Первичная интерпретация кинетических измерений. Определение параметров моделей, корректная постановка обратной кинетической задачи. Независимые и зависимые параметры, критерии и алгоритмы определения параметров, доверительные интервалы.


ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

4 курс, 8 семестр
24 часа семинаров и 64 часа практических занятий в компьютерном классе
ассистент Ю.В.Малоземов

Исследовательские задачи, решаемые с помощью ЭВМ: обработка данных, хранение информации, представление результатов, численные инженерные расчеты и аналитические преобразования. Организация работы пользователя на ЭВМ. Краткий обзор программного обеспечения для решения обозначенных задач: пакеты MathCad, Origin, MSOffice (Word, Excel, Access, Power Point).
Пакет MathCad: Простые вычисление; Вычисления с размерными величинами; Структуры данных: вектора, матрицы, диапазоны: Функции и итерационные вычисления; Аналитические преобразования; Графики: 2D, 3D, гистограммы; Функции пакета MathCad; Пример численного интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
Пакет Origin: Работа с таблицами; Построение 2D графиков и гистограмм; Редактирование 2D графиков: оси, подписи, работа с цветом; Работа со слоями: расположение графиков; Пример аппроксимации данных аналитическими функциями; Построение 3D графиков.
Приложение Excel: Обзор решаемых с помощью приложения задач; Структуры и типы данных, функции приложения; Работа с ячейками, листами и книгами; Построение 2D графиков и гистограмм; Редактирование 2D графиков: оси, подписи, работа с цветом, расположение графиков; Пример аппроксимации данных аналитическими функциями; Построение 3D графиков; Построение таблиц.
Приложение Access: Обзор решаемых с помощью приложения задач; Структуры и типы данных, функции приложения; Работа с таблицами и запросами; Построение форм ввода и вывода информации; Принципы организации реляционных баз данных, построение индексов и связей между таблицами и запросами; Импорт и экспорт информации из базы данных; Работа с несколькими базами данных. Пример подготовки данных для отчета.
Приложение Word: Обзор решаемых с помощью приложения задач; Основные операции и функции приложения; Работа с текстом; Работа с таблицами; Работа с изображениями и графиками; Оформление документа: содержание, ссылки и сноски, списки, разделы, колонтитулы; Работа с векторной графикой приложения. Пример подготовки отчета.
Приложение Power Point: Обзор решаемых с помощью приложения задач; Основные операции и функции приложения; Работа с текстом; Работа с таблицами; Работа с изображениями и графиками; Оформление презентации. Пример подготовки доклада.
Интеграция возможностей пакетов. Обзор решаемых с помощью VBA задач: межпакетный обмен данными, управление и автоматизация решения задач; Структуры и типы данных, Объекты, формы, модули, процедуры, функции. Синтаксис языка. Пример автоматизации вычислений в Excel. Пример управления с помощью VBA вычислениями MathCad и интеграция с Excel.


СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНИКА КАТАЛИТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

5 курс, 9 семестр
12 часов семинаров и 24 часа лабораторных занятий
к.х.н., доцент Н.Н.Бобров

На семинарских занятиях студенты знакомятся с современными методами и аппаратурой для экспериментальных исследований катализаторов. Особенности использования реакторов идеального смешения и идеального вытеснения для измерения скоростей химических реакций, интерполяционные и итерационные методики точного определения каталитической активности, способы приготовления и использования исходных реакционных смесей, конструкции лабораторных микрореакторов, методы контроля составов и расходов реакционных смесей, системы автоматического управления ходом экспериментов и обработки информации. Лабораторные занятия проводятся на специальной автоматизированной проточно-циркуляционной кинетической установке на примере модельной реакции глубокого окисления пропана на меднохромовом катализаторе. В ходе выполнения работ исследуются зависимости каталитической активности от температуры и полного состава контактной смеси, определяется область протекания реакции, наблюдаемые энергии активации и порядки реакции по пропану, кислороду, диоксиду углерода и воде.


Конец раздела