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Vortrag zur Vorlesung „Chemische Kinetik“ Thema: Heterogene Katalyse Lars Henrik Peeck.

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Präsentation zum Thema: "Vortrag zur Vorlesung „Chemische Kinetik“ Thema: Heterogene Katalyse Lars Henrik Peeck."—  Präsentation transkript:

1 Vortrag zur Vorlesung „Chemische Kinetik“ Thema: Heterogene Katalyse Lars Henrik Peeck

2 Gliederung Begriffsdefinitionen Oberflächenkatalyse Langmuir-Isotherme Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus Eley-Rideal-Mechanismus Anwendung Oxidation von CO zu CO 2 Zusammenfassung Literatur 1

3 Begriffsdefinitionen Katalysator = Spezies, die Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie eröffnet; Kat. beeinflusst nur Geschwindigkeit, nicht GGW-Zusammensetzung, wird nicht verbraucht Heterogene Katalyse: →Kat. und Reaktanden in verschiedenen Phasen →i.d.R. Adsorption mindestens einer Spezies →Praxis: Dispersion des Kat. ( 2 nm) auf porösem, oxidischen Träger (z.B. Zeolithe) 2

4 Begriffsdefinitionen Adsorbat adsorbierte Spezies AdsorbensOberfläche des kat. aktiven Feststoffes Physisorption VdW-Kräfte zw. Adsorbat und Adsorbens Chemisorption Ausbildung chemischer Bindungen zw. Adsorbat und Adsorbens (beschränkt auf eine Adsorbatschicht) Bedeckungsgrad θ 3

5 Oberflächenkatalyse Im Folgenden: Betrachtung von Gasreaktionen an festem Kat. wichtig: Verlauf von θ mit Druck bei T = const. → Adsorptions-Isotherme einfachste theoretische Beschreibung: Langmuir-Isotherme →höchstens eine Adsorbat-Monolage →alle Bindungsstellen gleich →keine WW zw. adsorbierten Molekülen 4

6 Oberflächenkatalyse Langmuir-Isotherme Gleichgewicht: stationär 5

7 Oberflächenkatalyse mit Langmuir-Isotherme 6 E ξ E De E Ad -∆H Ad ∆H Ad =E Ad -E De

8 Oberflächenkatalyse Langmuir-Isotherme 7 θ

9 Oberflächenkatalyse Langmuir-Isotherme Dissoziative Adsorption: stationär 8

10 Oberflächenkatalyse Weitere Adsorptionsisothermen: BET-Isotherme (Mehrschichtenadsorption) Freundlich-Isotherme p θ 9

11 Oberflächenkatalyse Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus → Reaktion durch Stöße zw. an Kat.-Oberfläche adsorbierten Teilchen: Annahme: θ A & θ B folgen Langmuir-Isotherme 10

12 Oberflächenkatalyse Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus Grenzfälle: (gilt natürlich auch umgekehrt!) 11

13 Oberflächenkatalyse Eley-Rideal-Mechanismus → Reaktion durch Stöße zw. einem an Kat.-Oberfläche adsorbierten Teilchen und einem Teilchen aus der Gasphase: Annahme: θ A folgt Langmuir-Isotherme 12

14 Oberflächenkatalyse Eley-Rideal-Mechanismus p A groß (K A ∙p A >> 1) → θ A ≈ 1 und v = k∙p B (1.Ordnung) → v unabhängig von Bedeckungsgrad p A klein (K A ∙p A << 1) → v = k∙K A ·p A ·p B (2.Ordnung) → v abhängig von Bedeckungsgrad Grenzfälle: 13

15 Anwendung Oxidation von CO zu CO 2 an Pt/Al 2 O 3 Frage: Welcher Mechanismus ? J. Catal. 2001, 202, Untersuchungen: Kein Unterschied in ∆H Ad (CO) mit und ohne anwesenden Sauerstoff → Keine Konkurrenz zw. CO und O 2 um Adsorptionsplätze Zwei mögliche Erklärungen: 1.Langmuir-Hinshelwood: O 2 adsorbiert an anderen Plätzen als CO 2. Eley-Rideal-Mechanismus

16 Anwendung Oxidation von CO zu CO 2 an Pt/Al 2 O 3 Langmuir-Hinshelwood vs Eley-Rideal Annahme: Ergebnis: → θ O = const. → k eff = f [p(O 2 )] y = m · x p a (O 2 ) < p b (O 2 ) < p c (O 2 ) … J. Catal. 2001, 202,

17 Anwendung Oxidation von CO zu CO 2 an Pt/Al 2 O 3 16 Annahme: O 2 adsorbiert dissoziativ J. Catal. 2001, 202, 34. Starke Adsorption ? ∆H Ad groß, K∙p O 2 groß → θ O wäre unabhängig von p O 2 → NEIN ! Unterschiedliche Werte für p a,p b,p c etc. ! Folgerung: a) O 2 wird schwach adsorbiert → K∙ p O 2 klein, θ O = (K∙p O 2 ) 1/2 b) O 2 wird nicht adsorbiert → Eley-Rideal

18 17 Anwendung Oxidation von CO zu CO 2 an Pt/Al 2 O 3 a) O 2 wird schwach adsorbiert → K∙p O 2 klein, θ O = (K∙p O 2 ) 1/2 b) O 2 wird nicht adsorbiert → Eley-Rideal a)b) Experiment: → Langmuir-Hinshelwood mit schwacher Adsorption von O 2 J. Catal. 2001, 202, 34.

19 18 Zusammenfassung Heterogene Katalyse in der industriellen Praxis: Gas- oder Flüssigphasenreaktionen an festem, geträgertem Katalysator Adsorption mindestens einer Spezies: Langmuir-Isotherme etc. Wichtige Mechanismen: Langmuir-Hinshelwood (beide Spezies adsorbieren) Eley-Rideal (eine Spezies adsorbiert) Aufklärung des Reaktionsmechanismus durch experimentelle Untersuchung (Bedeckungsgrad, Reaktionsgeschwindigkeit)

20 Literatur [1]P. W. Atkins, Physical Chemistry 3 rd edition, Oxford University Press, Oxford, [2]Samuel R. Logan, Grundlagen der chemischen Kinetik, Wiley-VCH, Weinheim, [3]http://www.uni-oldenburg.de/tchemie/Praktikum/ Heterogene%20Katalyse.pdf. [4]A. Bourane, D. Bianchi, Journal of Catalysis 2001, 202, 34. [5]A. Bourane, D. Bianchi, Journal of Catalysis 2002, 209,


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