WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Полученные данные, часть из которых приведена в табл.1 и на рис.1, 2, составляют основу для обсуждения основных причин влияния природы и состава растворителя на термохимические закономерности адсорбции водорода на металлах из растворов.

Одинаковые интервалы изменения теплот адсорбции свидетельствуют о том, что во всех исследованных растворителях на поверхности пористого никеля присутствуют одни и те же формы адсорбированного водорода. Сопоставляя полученные экспериментальные значения теплот адсорбции водорода при начальных и полных заполнениях поверхности с энергиями активации десорбции и результатами квантово-химических расчетов, взятых из литературы, можно утверждать, что слабосвязанной формой адсорбированного водорода является мостиковая форма молекулярного водорода с теплотой адсорбции отвечающей значениям –(2040) кДж/моль, а прочносвязанной ­– атомарный ионизированный водород с теплотами адсорбции от -120 до -150 кДж/моль. Переход молекулярно– в прочносвязанный атомарно адсорбированный водород возможен только через атомарную форму со средней энергией связи, теплоты адсорбции которой составляют –(80100) кДж/моль. Таким образом, положение о существовании нескольких индивидуальных форм адсорбата хорошо согласуется с результатами проведенных адсорбционно-калориметрических исследований.

Из сравнения полученных результатов зависимости aH(H2) от степени заполнения поверхности пористого никеля с данными литературы в индивидуальных растворителях следует, что характер энергетического распре­деления адсорбированного водорода по теплотам адсорбции определяется донорны­ми свойствами среды. При адсорбции из алифатических спиртов с низкой донорной способностью, например метанола, пористый никель адсорбирует, в основном, слабосвязанный, а из диметилформамида и тетрагидрофурана, характеризующихся высокой донорной способностью – прочносвязанный водород. Высокая донорная способность тетрагидрофурана и диметилформамида по отношению к другим исследованным растворителям приводит к существенному росту теплот адсорбции водорода практически во всем интервале степеней заполнения. Однако, количественное соотношение форм адсорбированного водорода в данных растворителях различное. Таким образом, донорные свойства растворителя изменяют вид функции распределения адсорбированного водорода на рис.2а), увеличивая долю слабосвязанных и снижая величины адсорбции прочносвязанных адсорбционных форм в тетрагидрофуране.

Используя положение о существовании нескольких индивидуальных форм водорода, можно констатировать, что в алифатических спиртах и воде на поверхности никеля стабилизируются высокие поверхностные концентрации молекулярно– и атомарноадсорбированного водорода с низкими и средними значениями теплот адсорбции. Адсорбция прочносвязанной формы в данных растворителях низка. Переход к тетрагидрофурану и диметилформамиду вызывает резкое повышение поверхностных концентраций прочносвязанной атомарной формы за счет существенного снижения величин адсорбции молекулярно– и атомарно адсорбированного водорода.

Бинарные растворители диметилформамид-вода и метанол-вода различаются по характеру влияния на теплоты адсорбции. Так, с ростом концентрации диметилформамида уменьшается адсорбция слабосвязанной формы или, однако плавной монотонной зависимости не наблюдается. Системы метанол-вода отличаются от бинарного растворителя диметилформамид-вода тем, что с ростом концентрации органического компонента наблюдается повышение величин адсорбции слабосвязанной молекулярной формы. Качественно сделанный вывод об изменении поверхностных концентраций форм водорода подтверждают данные табл.1, из которых следует, что рост концентраций диметилформамида в водном растворе приводит к снижению, а концентраций метанола – к повышению «общего содержания» водорода в пористом никеле и соотношений Nis:Hads. Вполне очевидно, что дополнительное количество слабосвязанного водорода в водных растворах метанола может образовываться в результате протекания реакций (I) и (II).

Введение в водный раствор гидроксида натрия добавок метанола или диметилформамида различной концентрации позволяет проследить влияние органического компонента на состояние адсорбированного на поверхности пористого никеля водорода. Органические компоненты нивелируют действие гидроксида натрия по отношению к адсорбированному водороду, и на поверхности пористого никеля снижается количество прочносвязанной атомарной ионизированной формы водорода. При этом диметилформ­амид повышает поверхностную концентрацию слабосвязанного водорода или, в то время как метанол вызывает рост величин адсорбции атомарной формы Н со средней энергией связи.

При введении в водные растворы диметилформамида добавок уксусной кислоты наблюдается увеличение величин адсорбции слабосвязанных молекулярных форм. В то же время добавки гидроксида натрия характеризуются противоположным действием и приводят к увеличению количеств прочносвязанной формы адсорбированного водорода за счет уменьшения концентрации форм с более низкими энергиями связи.

Таким образом, результаты проведенных адсорбционно-калориметри­ческих исследований свидетельствуют о том, что основная причина влияния природы и состава растворителя на характер зависимостей теплот адсорбции водорода от степени заполнения и величины «общего содержания» водорода в пористом никеле заключается в изменении величин адсорбции индивидуальных форм под действием растворителя в результате смещения равновесий процессов, протекающих в поверхностном слое. Именно такое изменение поверхностных концентраций предложено называть количественным перераспределением величин адсорбции индивидуальных форм водорода под действием растворителя.

Дополнительным подтверждением справедливости сделанного вывода следует считать дан­ные по влиянию щелочных добавок на характер распределения адсорбированного водорода. Из результатов калориметрических и потенциометрических измерений следует, что в водных растворах гидроксида натрия перераспределение адсорбированного водорода под влиянием рН происходит наиболее интенсивно в результате протекания электрохимических реакций типа (IV)-(VIII) с участием индивидуальных адсорбционных форм. Очевидно, что введение в щелочной раствор апротонного органического компонента, например диметилформамида, будет снижать интенсивность такого перераспределения. Данный факт подтверждают функции распределения, приведенные на рис. 2.

Известно, что действие растворителя на закономерности протекания различных жидкофазных физико-химических процессов связано главным образом со специфической и неспецифической сольватацией реагирующих веществ. Интенсивность специфических сольватационных взаимодействий, которые играют определяющую роль в процессах адсорбции, непосредственно связана с такими физико-химическими параметрами растворителей, как донорно-ак­цеп­торная способность, кислотно-основные свойства и пр.

Можно утверждать, что из-за низкого заряда индивидуальных форм водорода или полного его отсутствия, а также вследствие очевидных стерических затруднений сольватации водорода основной вклад в сольватацию адсорбционной системы будут вносить сольватационные взаимодействия поверхностных атомов металла с молекулами растворителя. Этот вывод подтвержден результатами исследования взаимосвязи теплот смачивания пористого никеля и донорно-акцепторной способности однокомпонентных раст­во­ри­телей. Доказано, что теплоты смачивания образцов пористого никеля линейно возрастают с ростом донорного числа растворителя, что служит надежным обоснованием положения об определяющей роли специфической сольватации активных центров поверхности в процессе формирования поверхностного слоя пористого никеля в ходе адсорбции водорода.

Можно утверждать, что для индивидуальных растворителей повышение поверхностных концентраций прочносвязанных атомарных форм водорода на пористом никеле при переходе от неполярного циклогексана к высокодонорным тетрагидрофурану и диметилформамиду за счет снижения величин адсорбции слабосвязанных молекулярных форм вызвано специфической сольватацией активных центров поверхности катализатора, обусловленной донорной способностью среды. Отклонение от указанной закономерности процесса адсорбции из воды связано с достаточно ярко выраженными электролитными свойствами данного растворителя. Очевидно, что участие ионов водорода и гидроксила в поверхностных электрохимичес­ких реакциях способствует повышению вклада электрохимического механиз­ма перераспределения в общее изменение поверхностных концентраций форм водорода. В алифатических спиртах, в особенности в метаноле быстрое убывание теплот адсорбции с ростом степени заполнения может быть вызвано смещением адсорбционных равновесий в сторону образования молекулярных форм, и из-за слабых протолитических свойств среды вклад электрохимического механизма становится менее значительным.

Отличие в закономерностях перераспределения адсорбированного водорода в алифатических спиртах, по нашему мнению, заключается в различной возможности органических молекул участвовать в структурных изменениях поверхностного слоя, т. е. эффектами специфической сольватации. Кроме того, для водных растворов метанола обоснована возможность протекания поверхностных процессов с участием алкоголят–ионов по реакциям (I) и (II), которые также приводят к увеличению «общего содержания» водорода в пористом никеле, что подтверждается данными табл.1.

Влияние кислых и щелочных добавок на перераспределение адсорбированного водорода также связано с изменением донорно-акцепторной способности среды. При объяснении влияния добавок уксусной кислоты и гидроксида натрия целесообразно также использовать данные о том, что рост рН водных растворов приводит к повышению поверхностных концентраций проч­носвязанных атомарных адсорбционных форм за счет инициации поверхностных реакций гетеролитического распада. Результаты исследований процесса адсорбции водорода на пористом никеле из водных растворов диметилформамида с добавками уксусной кислоты и гидроксида натрия также показали, что рост основности растворителя повышает поверхностную концентрацию прочносвязанных атомарных адсорбционных форм, а рост кислотности – величин адсорбции слабосвязанных молекулярных форм водорода. Этот вывод косвенно подтверждают результаты измерения «общего содержания» водорода в катализаторе, которое, согласно данным табл.1, падает в щелочных и несколько возрастает в кислых растворах.

Однако, исследования теплот адсорбции водорода в водных растворах метанола, содержащего добавки гидроксида натрия показали, что с ростом концентрации добавки теплоты адсорбции могут снижаться. Функции распределения количеств адсорбированного водорода по теплотам адсорбции в водных растворах метанола с добавкой гидроксида нат­рия с концентрацией 0,01 М имеют максимум в области теплот –(80100) кДж/моль. Это может быть вызвано влиянием органического компонента растворителя на закономерности адсорбции. Так, в водных растворах метанола при низких концентрациях гидроксида нат­рия – до 0,01 М – эффекты специфической сольватации поверхности никеля метанолом сопровождаются образованием алкоголят–ионов, которые более интенсивно, чем гидроксил–ионы, смещают равновесие поверхностных реакций гетеролитического распада в сто­рону образования слабосвя­занных молекулярных форм водорода.

Вся совокупность результатов проведенных адсорбционно-калори­мет­рических исследований процессов адсорбции водорода на по­ристом никеле из растворителей различной природы и состава может быть объяснена с единых позиций влияния донорно-ак­цеп­торных и кислотно-ос­нов­ных свойств среды на термодинамические характеристики адсорб­ционных равновесий. В апротонных растворителях рост специфической сольватации поверхности никеля, связанный с донорной способностью среды, вызывает смещение поверхностных равновесий между индивидуальными формами водорода в сторону повышения поверхностных концентраций прочносвязанных атомарных форм. В протонодонорных растворителях, а также в растворах, содержащих кислые и щелочные добавки, основное влияние на поверхностные равновесия с участием индивидуальных форм во­дорода оказывают кислотно-основные свойства среды. Рост основности ра­ст­ворителя также приводит к повышению поверхностных концентраций проч­носвязанных атомарных форм водорода. Это влияние может быть еще бо­лее существенным, чем в апротонных растворителях: ионы водорода и гидроксила могут дополнительно инициировать поверхностные реакции гетеролитического распада с участием молекулярных форм водорода. Совокупность данных процессов приводит к количественному перераспределению адсорбированного водорода, которое подтверждено анализом функций распределения.

Результаты проведенного адсорбционно-калориметрического эксперимента и предложенное объяснение по­зволили предложить научно-обосно­ван­ный подход к целенаправленному регулированию адсорбционных свойств пе­реходных металлов и катализаторов по отношению к водороду варь­иро­ванием природы и состава растворителя.

Предлагаемый подход состоит в том, что термодинамические характеристики поверхностного слоя металла, образующегося в процессе адсорбции водорода, будут определяться главным образом кислотно-основными или донорно-акцепторными свойствами среды. Поэтому, подбирая растворители с определенными значениями кислотности, основ­ности или донорными свойствами, которые количественно характеризуются определенными физико-хи­мическими параметрами, можно заранее предвидеть характер энергетического распределения адсорбированного водорода. По нашему мнению, при сохранении общности механизма адсорбции водорода на поверхности переходных металлов наблюдаемые экспериментальные зависимости теплот адсорбции водорода от степени заполнения поверхности для растворителей с одинаковыми донорными или акцепторными числами, параметрами кислотности или основности должны быть близки. Предлагаемый подход имеет большое значение с точки зрения подбора оптимальных каталитических систем для реакций жидкофазной гидрогенизации.

Возможность применения предложенного подхода была обоснована на примере исследований адсорбции водорода на пористом никеле из растворов диметилформамида.

Анализ донорных и акцепторных свойств бинарных растворителей показал, что параметры, характеризующиеся числами Bkt , для водного раствор диметилформамида с концентрацией органического компонента 0,37 м.д. водного раствора метанола с 0,90 м.д. спирта были близки. Следует ожидать, что характер распределения водорода, адсорбированного пористым никелем, в данных растворителях будет близок.

На рис. 3 представлены зависимости теплот адсорбции водорода от степени заполнения поверхности пористого никеля в выбранных выше растворителях.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»