Современные методы исследования катализаторов и каталитических процессов Цели и задачи изучения дисциплины Цель дисциплины – изучение основ теории и практики современных методов исследования катализаторов и каталитических процессов, основных экспериментальных закономерностей, лежащих в основе кинетических исследований каталитических реакций, их связи с современными технологиями, а также формирование у магистрантов знаний и умений, позволяющих осуществлять экспериментальное определение кинетических характеристик каталитических реакций. Задачи дисциплины сформировать базовые знания и представления о фундаментальных законах и основных методах исследования каталитических реакций; сформулировать основные задачи исследования кинетики каталитических реакций, установить область и границы применимости различных методов; рассмотреть основные экспериментальные закономерности, структуру и математическую форму основных уравнений, лежащих в основе исследования кинетики каталитических реакций, особенности их использования в различных методах; рассмотреть основные приемы и методы экспериментального и теоретического исследования кинетики каталитических реакций, использование этих методов в современных технологиях; установить область применимости моделей, применяемых в кинетических исследованиях, рассмотреть способы вычисления кинетических величин, характеризующих явления; обеспечить овладение методологией физико-химических исследований кинетики каталитических реакций. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение дисциплины Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, должны: Иметь представление: о принципиальных основах, практических возможностях и ограничениях важнейших кинетических закономерностей, об аппаратурном оснащении и условиях проведения эксперимента при осуществлении исследования кинетики каталитических реакций различными методами, об интерпретации экспериментальных данных, об основных принципиальных отличиях разных подходов к исследованию кинетики каталитических реакций. Знать: базовую терминологию, относящуюся к физико-химическим методам исследования кинетики каталитических реакций; основные понятия и законы, лежащие в основе кинетических исследований. Уметь: продемонстрировать связь между различными кинетическими параметрами каталитических реакций, структурой и свойствами веществ; осуществить выбор соответствующего физико-химического метода исследования кинетики каталитических реакций, в том числе и in situ использовать знание кинетических закономерностей каталитических реакций при выполнении курсовых и дипломных работ и интерпретации экспериментальных данных. 1 владеть компетенциями: Код Наименование результата обучения ОК-1 Способность ориентироваться в условиях производственной деятельности и адаптироваться в новых условиях ОК-6 ПК 1 ПК 2 ПК 3 Понимание принципов работы и умением работать на современной научной аппаратуре при проведении научных исследований Наличие представления о наиболее актуальных направлениях исследований в современной теоретической и экспериментальной химии Знание основных этапов и закономерностей развития химической науки, понимание объективной необходимости возникновения новых направлений, наличие представления о системе фундаментальных химических понятий и методологических аспектов химии, форм и методов научного познания, их роли в общеобразовательной профессиональной подготовке химиков Владение теорией и навыками практической работы в избранной области химии(в соответствие с темой магистерской диссертации) Краткое содержание Роль катализа в современной промышленности. Требования, предъявляемые к промышленным катализаторам. Современные методы исследования поверхности. Металлические катализаторы: компактные металлы, черни металлов; металлы на носителях. Оксидные катализаторы. Кислотно-основные катализаторы. Ионнообменные смолы. Металлокомплексные катализаторы и каталитические системы. Катализаторы на основе ферментов. Носители катализаторов. Требования к носителям. Важнейшие носители. Бифункциональные катализаторы. Исследование состава и структуры твердого тела. Современные методы исследования поверхности. Исследование катализаторов в процессе работы. Примеры схем механизмов каталитических реакций и уравнений, описывающих эти реакции. Элементарные стадии. Каталитический цикл. Особенности каталитических циклов, относящихся к различным типам катализа. Катализаторы, примеры реакций, механизмы активации субстрата. Эффекты среды. Твердые кислоты и основания. Природа и механизм действия активных центров твердых кислот и оснований. Важнейшие твердые кислотноосновные катализаторы: оксиды алюминия и кремния, алюмосиликаты, цеолиты, ионообменники на основе органических и минеральных полимеров. Промышленные процессы на кислотно-основных катализаторах. Стерический и энергетический факторы. Активация водорода, кислорода, оксида углерода, олефинов и алканов. Катализ сплавами. Катализ коллоидными металлами. Металлические катализаторы в промышленности. Механизмы реакций, катализируем сульфатами, фосфатами, карбонатами, галогенидами. Активные центры солевых катализаторов. Факторы, влияющие на каталитическую активность солей. Катализ гетерополикислотами. Основные определения. Связь между координационной и каталитической химией. Классификация лигандов. Типы связей в металлокомплексах. Реакционная способность координированных частиц. Активация кислорода, водорода, монооксида углерода, олефинов, алканов. Проблемы фиксации диоксида углерода и молекулярного азота. Металлокомплексные катализаторы в промышленных процессах: изомеризация, гидрирование, олиго- и полимеризация, окисление, гидроформилирование, эпоксидирование, диспропорционирование. Цели и методы гетерогенизации комплексов переходных металлов: 2 адсорбционная, ионообменная, координационная и ковалентная гетерогенизация. Специальные методы гетерогенизации. Примеры гетерогенизации металлокомплексов. Строение ферментов. Четыре уровня структуры ферментов. Активные центры и факторы, обуславливающие избирательность действия ферментов. Коферменты. Классификация ферментов. Особенности механизма каталитического действия ферментов. Иммобилизированные ферменты. Примеры промышленного и аналитического использования. Фотокатализ. Электрокатализ. Особенности и условия протекания реакций. Примеры реализации фото- и электрокатализа. Межфазный катализ. Общая характеристика. Межфазные переносчики. Механизмы межфазного катализа. Примеры реализации. Мембранный катализ. Примеры. Области применения. Строение и типы мицелл. Причины ускорения реакций в прямых и обратных мицеллах. 3