Кинетика гетерогенных реакций

Аннотация рабочей программы

дисциплины «Кинетика гетерогенных реакций»

Дисциплина «Кинетика гетерогенных реакций» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «Химия», профиль «Химия твердого тела». Дисциплина реализуется на Факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет кафедрой химии твердого тела.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с кинетикой твердофазных реакций. Даются методы описания кинетики топохимических реакций, границы применимости известных кинетических моделей. Особое внимание уделено проблеме корректного выбора модели и однозначности определения скоростей реакций. Отдельная глава посвящена анализу зависимости скорости реакции от давления и температуры и связанных с этим ошибок в определении энергии активации обратимых реакций. Рассматриваются твердофазные реакции, контролируемые диффузией, кинетические подходы к анализу кинетики твердофазных реакций, протекающих в условиях импульсной активации.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОК-21, ОК-28, профессиональных компетенций ПК2, ПК-9, ПК-11, ПК-18, ПК-31, ПК-32, ПК-36 выпускника.

Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, самостоятельная работа студента.

Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: промежуточный контроль в форме экзамена. Формы рубежного контроля определяются решениями Ученого совета, действующими в течение текущего учебного года.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 56 академических часов плюс экзамен. Программой дисциплины предусмотрены 36 часов лекционных занятий, 18 часов самостоятельной работы студентов, 2 часа консультаций.

 


1. Цели освоения дисциплины

Курс ставит своей целью дать теоретические представления и практические навыки анализа кинетики различных типов гетерогенных твердофазных процессов.

Данный курс знакомит студентов с общими принципами кинетики твердофазных реакций и является особой частью гетерогенной кинетики. Даются методы описания кинетики топохимических реакций, основанные на геометрических подходах и на представлении о независимости процессов зарождения и роста зародышей новой фазы, границы применимости известных кинетических моделей. Особое внимание уделено проблеме корректного выбора модели и однозначности определения скоростей реакций. Отдельная глава посвящена анализу зависимости скорости реакции от давления и температуры и связанных с этим ошибок в определении энергии активации обратимых реакций. На этом базисе строится физическая модель реакционной зоны и обсуждаются подходы к концентрационному описанию движения реакционной зоны, основанные на нелинейных диффузионно-кинетических уравнениях. Вторая часть курса ориентирована на твердофазные реакции, контролируемые диффузией. В заключительной части курса рассматриваются кинетические подходы к анализу кинетики твердофазных реакций, протекающих в условиях импульсной активации (механохимической, радиационно-термической). Показаны источники методической погрешности, связанные со специфическими условиями эксперимента, которые необходимо учитывать при корректном кинетическом описании.

Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса: ознакомление студентов с теорией в рамках программы курса; обучение работе с литературными источниками; обучение студентов пользоваться полученными знаниями при решении практических задач.

 

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Кинетика гетерогенных реакций» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «химия», профиль «химия твердого тела».

Дисциплина «Кинетика гетерогенных реакций» опирается на следующие дисциплины данной ООП:

  • Неорганическая химия;
  • Физическая химия;
  • Физика;
  • Химическая термодинамика;
  • Химия твердого тела.

Результаты освоения дисциплины «Кинетика гетерогенных процессов» используются в следующих дисциплинах данной ООП:

  • Институтская практика.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Кинетика гетерогенных процессов»:

  • общекультурные компетенции: ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОЛ-21, ОК-28;
  • профессиональные компетенции: ПК2, ПК-9, ПК-11, ПК-18, ПК-31, ПК-32, ПК-36.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

  • знать общие принципами кинетики твердофазных реакций, знать теорию в рамках предложенной программы;
  • уметь критически анализировать содержание журнальных и других научных публикаций, посвященных изучению кинетики реакций с участием твердых тел в качестве реагентов и/или продуктов соответствующих превращений; уметь сформулировать требования к образцам и условиям проведения кинетического эксперимента; уметь выполнить первичную обработку кинетических кривых с целью применимости той или иной кинетической модели;
  • владеть методами определения энергий активации и параметров зависимости скорости от давлений/концентраций.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 56 академических часов плюс экзамен.

№ п/п

Раздел дисциплины

Семестр

Неделя  семестра

Формы текущего контроля успеваемости
(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Формы текущего контроля успеваемости
(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Лекции

Самост. работа

Консультация

Экзамен

1

Введение. Общие принципы формулирования кинетических уравнений. Понятие о границе раздела и зоне реакции.

7

9

1

2

1

2

Кинетика испарения/сублимации. Особенности процессов на движущихся границах раздела.

7

9

2

2

1

3

Растворение твердых тел. Проблемы концентрационных зависимостей скоростей растворения и диффузионного контроля. Учет изменения поверхности (геометрический контроль).

7

9

3

2

1

4

Основные представления о топохимических превращениях. Простейшая модель – уравнение сокращающейся сферы и границы его применимости.

7

9

4

2

1

5

Основное кинетическое уравнение. Представления о реакционной зоне и механизмах ее продвижения.

7

9

5

2

1

6

Кинетика топохимических превращений с зародышеобразованием в объеме реагента. Уравнения Аврами и Ерофеева.

7

9

6

2

1

7

Аффинность кинетических кривых как основа для анализа температурных и концентрационных зависимостей скоростей реакций.

7

9

7

2

1

8

Кинетика топохимических реакций, инициируемых с поверхности реагента. Общий анализ кинетики по Дельмону.

7

9

8

2

1

9

Кинетика реакций с индуцированным зародышеобразованием. Уравнение Праута-Томпкинса.

7

9

9

2

1

10

Внешнедиффузионный контроль в гетерогенных реакциях. Метод равнодоступной поверхности (смешанная кинетика).

7

9

10

2

1

11

Кинетика в смесях твердых веществ (диффузионный контроль). Покрываемый и покрывающий реагенты и соответствующие кинетические модели. Уравнения Яндера, Гинстлинга-Броунштейна, Картера и др.

7

9

11

2

1

12

Возможности оптимизации процессов высокотемпературного синтеза керамических материалов.

7

9

12

2

1

13

Неизотермические и другие нестационарные методы в кинетике твердофазных реакций.

7

9

13

2

1

14

Особенности описания кинетики механохимических реакций.

7

9

14

2

1

15

Анализ кинетики различных типов гетерогенных твердофазных процессов, решение практических задач. (I) Требования к образцам и условиям проведения кинетического эксперимента.

7

9

15

2

1

16

Анализ кинетики различных типов гетерогенных твердофазных процессов, решение практических задач. (II) Первичная обработка кинетических кривых.

7

9

16

2

1

17

Анализ кинетики различных типов гетерогенных твердофазных процессов, решение практических задач. (III) Определение энергий активации.

7

9

17

2

1

 

18

Анализ кинетики различных типов гетерогенных твердофазных процессов, решение практических задач. (IV) Определение параметров зависимости скорости от давлений/концентраций.

7

9

18

2

1

 

6

19

2

 

 

 

Экзамен

36

18

2

 

56

5. Образовательные технологии

Занятия проводятся в лекционной форме с элементами интерактивного обучения, обучения на основе опыта. В дополнение к традиционным лекционным формам студентам предоставляется возможность разобрать научные задачи, находящиеся в рамках тематики курса, и представляющие интерес для студентов (по выбору студентов).

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Рекомендуемый режим работы: лекционные занятия – 2 часа в неделю; самостоятельные занятия с обязательной и дополнительной литературой, самостоятельное решение задач – 1 час в неделю.

Прмежуточная аттестация по итогам освоения дисциплины проводится в виде экзамена. Вопросы к экзамену отражаю основные темы курса, перечисленные в таблице выше. Перед экзаменом проводится консультация.

Образец вопросов для подготовки к экзамену:

  1. Общие принципы формулирования кинетических уравнений. Понятие о границе раздела и зоне реакции.
  2. Уравнение сокращающейся сферы и границы его применимости.
  3. Кинетика топохимических превращений с зародышеобразованием в объеме реагента. Уравнения Аврами и Ерофеева.
  4. Аффинность кинетических кривых как основа для анализа температурных и концентрационных зависимостей скоростей реакций.
  5. Кинетика топохимических реакций, инициируемых с поверхности реагента. Общий анализ кинетики по Дельмону.
  6. Кинетика реакций с индуцированным зародышеобразованием. Уравнение Праута-Томпкинса.
  7. Внешнедиффузионный контроль в гетерогенных реакциях. Метод равнодоступной поверхности (смешанная кинетика).
  8. Кинетика в смесях твердых веществ (диффузионный контроль).
  9. Низкотермические методы в кинетике твердофазных реакций.
  10. Особенности описания кинетики механохимических реакций.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

  1. Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 4-е изд., ИД “Интеллект”, 2008.

б) дополнительная литература:

  1. Дельмон Б., Кинетика гетерогенных реакции. М., Мир, 1972.
  2. Барре П., Кинетика гетерогенных процессов. М., Мир, 1976.
  3. Будников П.П., Гинстлинг А.М. Реакции в смесях твердых веществ. М.: Стройиздат, 1971.
  4. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978.
  5. Розовский А.Я., Кинетика топохимических реакций, М., 1974.
  6. Ляхов Н.З. Кинетика твёрдофазных реакций, вып. 1, Топохимическая кинетика, Новосибирск, НГУ, 1982.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

  • Ноутбук, медиа-проектор, экран.
  • Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению «Химия» и профилю подготовки «Химия твердого тела».

Автор:                                                                            Ляхов Николай Захарович

чл.-кор. РАН, д.х.н.,

профессор ФЕН НГУ

директор ИХТТМ СО РАН