Основные понятия и термины нанонауки и нанохимии

34 
ГЛАВА 4 
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И КАТАЛИЗ 
4.1. Химия поверхностных явлений 
 
Химия поверхностных явлений (ХПЯ) является определяющим 
фактором в таких областях как гетерогенный катализ, полупроводни-
ковые процессы и многих других. Поверхностные явления широко 
распространены в химической технологии, практически любое хими-
ческое производство осуществляется с применением дисперсных сис-
тем и поверхностных явлений. Как правило, все гетерогенные процес-
сы в химической технологии проводят при максимальной поверхности 
контакта фаз, для этого системы вещества переводят в состояние сус-
пензий, порошков, эмульсий, туманов, пылей. Процессы измельчения 
сырья и промежуточных продуктов, обогащение сырья протекают в 
дисперсных системах, в которых значительную роль играют такие яв-
ления как смачивание, капиллярность, адсорбция, седиментация, коа-
гуляция. Широко распространены в химической технологии пористые 
адсорбенты и катализаторы, представляющие собой дисперсную сис-
тему с твердой дисперсионной средой. 
Закономерности протекания поверхностных явлений, в частности 
структурообразования, служат теоретической основой получения ма-
териалов с заданными свойствами: керамики, цементов, сорбентов, ка-
тализаторов, полимеров, порохов, лекарственных средств и т. п. 
Гетерогенный катализ можно назвать «грубым, незрелым» отве-
том человечества на каталитические процессы с участием природных 
энзимов. Важно понимать, что работы в области ХПЯ заставили чело-
вечество задуматься о том, как выглядит наноразмерный мир, и какие 
явления в нем доминируют. В настоящее время исследователи продви-
нулись вперед в изучении структуры, динамики, химии и физических 
свойств сложных молекулярных ансамблей и образований частиц, хотя 
дверь в наномир и ХПЯ лишь слегка приоткрыта. 
Поверхностные явления – это совокупность явлений, обусловлен-
ных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкос-
новения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, проис-
ходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и 
возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз. Поверх-

35 
ностные явления принято классифицировать в соответствии с объеди-
ненным уравнением первого и второго начал термодинамики, в кото-
рое входят основные виды энергии. 
Наука о поверхностных явлениях – область, изучающая природу 
поверхности, то есть ее физическую и электронную структуру, а также 
взаимодействия между молекулами в газовой или жидкой фазе и по-
верхностью.
Можно выделить три этапа развития наук, изучающих поверхно-
сти и поверхностные явления [3]: 
1. В 1937 г. Нобелевская премия по физике была присуждена К. 
Дэвиссону и Д. Томсону за экспериментальное подтверждение пред-
сказанных Луи де Бройлем волн, это была первая награда в данной об-
ласти. Эксперименты по дифракции электронов на кристаллах были 
проведены в 1926 г. совместно с Л. Джермером. Техника дифракции 
электронов сейчас является рутинной во многих лабораториях по все-
му миру. 
2. Развитие техники работы в условиях сверхвысокого вакуума 
стало значительным шагом в эволюции наук о поверхности. Во-
первых, были созданы хорошие насосные системы, во-вторых, стало 
возможным эффективно удалять остатки воды, что позволило изучать 
чистые поверхности.
Значительные достижения в изучении кристаллических поверхно-
стей были достигнуты с изобретением эмиссионного и ионного микро-
скопов, работающих с атомным разрешением (Мюллер, 1930-1950 гг.).
3. С середины 1960-х гг. работы базируются на изучении поверх-
ностей с известной морфологией, обычно это единичные кристаллы 
металлов с известной ориентацией поверхности. Это направление со-
храняется и в настоящее время, хотя диапазон изучаемых материалов 
чрезвычайно расширился. 
Нобелевская премия по химии в 2007 г. была присуждена Г. Эрт-
лю за работу по изучению поверхностных явлений, в частности, на 
границе раздела фаз газ – твердое тело. Эртль изучал адсорбцию про-
стых молекул на кристаллах железа, особенно участвующих в синтезе 
аммиака, – N
2
, H
2
, NH
3
– методом электронной оже-спектроскопии 
(рис. 4.1) [3].

36 
Рис. 4.1. Профиль потенциальной энергии синтеза аммиака на желез-
ном катализаторе 
В результате исследований была описана схема полной энергии 
реакции, показывающая путь синтеза аммиака на поверхности катали-
затора; была установлена положительная роль щелочных промоторов в 
этой реакции, и сильная зависимость диссоциации азота от структуры 
поверхности: открытые участки поверхности оказались более активными.
Изучая окисление оксида углерода на металлах платиновой груп-
пы, Эртль с соавторами показали, что образование продукта начинает-
ся, когда происходит десорбция значительного количества СО с по-
верхности палладия или платины, на которой должны быть адсорбиро-
ваны как молекулы оксида углерода, так и атомы кислорода, а также 
выявили пространственно-временную зависимость скорости окисления 
оксида углерода (рис. 4.2) [3].
Было установлено, что такие реакции относятся к самоорганизо-
ванным процессам: они могут протекать в складках волн, возникаю-
щих на поверхности и являющихся аналогами реакции Белоусова-
Жаботинского. В зависимости от условий реакции, длины этих волн 
находятся в нанометровом диапазоне. 

37 
Рис. 4.2. Пространственно-временные изменения в реакции окисления 
оксида углерода на платине
*** 
В 1970-80 гг. появились и другие важные идеи, внесшие огромный 
вклад в понимание поверхностных явлений. Так, Г. Соморджай уста-
новил, что в каталитических реакциях углеводородов структура по-
верхности катализатора влияет на селективность реакции. Изучая за-
висимость диссоциации азота на вольфраме от стадии реакции, Д. 
Кинг показал, насколько велика может быть роль слабосвязанных мо-
лекулярных состояний в определении реакционной способности, по-
скольку они могут диффундировать на длинные расстояния «в поис-
ках» активных центров адсорбции на неактивной поверхности. Было 
обнаружено, что поверхности атомов металлов часто перестраиваются 
в присутствии молекул газов и тем самым понижают свои энергетиче-
ские уровни. Такое поведение частиц является общим в реакциях ад-
сорбции и ХПЯ. 

жүктеу/скачать 1,04 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: