Сорбционные задачи в преподавании курса «Введение в макрокинетику» на химическом факультете МГУ

Аннотация

Цель материала обратить внимание на необходимость преподавания макрокинетики на химических факультетах университетов. Макрокинетика изучает химические реакции и процессы межфазового переноса в реальных условиях их макроскопического протекания с учетом диффузионного и конвективного переноса веществ и переноса теплоты в пространстве. К таким процессам относится подавляющее большинство реальных технологических и природных процессов: процессы горения и взрыва, работа каталитических реакторов, перенос веществ через мембраны, биохимические процессы в биологической клетке, разделение веществ в противоточных колоннах (например, ректификация); хроматографические, ионообменные и сорбционные процессы в колоннах, химические процессы в атмосфере, в водных объектах, в почвах и т.д. Однако в программы различных базовых химических курсов (например, физической химии) включают лишь некоторые фрагменты макрокинетики, что не позволяет сформировать достаточное представление о принципах макрокинетического моделирования и его значении в химии. Задачей курса макрокинетики является формирование представлений о том, как использовать знания по химической термодинамике и феноменологической кинетике из курса физической химии для описания реальных химических процессов. Он должен быть сконцентрирован на рассмотрении основных принципов моделирования химических процессов.

Такой курс включает три основных раздела: 1) Уравнения баланса в неравновесных системах, 2) Процессы в неподвижных средах, 3) Процессы в движущихся средах. Первый раздел является наиболее важным в плане формирования «макрокинетического мышления». В нем демонстрируются принципы построения макрокинетических моделей любых химических процессов, которые дополняют и объединяют основные разделы физической химии – химическую термодинамику и химическую кинетику. Второй и третий разделы строятся на рассмотрении конкретных макрокинетических задач, которые используются для иллюстрации ключевых положений макрокинетического моделирования и являются своеобразным продолжением материала курса физической химии. Эти разделы можно рассматривать как своеобразный практикум по использованию знаний первого раздела. В них должны рассматриваться процессы, с которыми приходится сталкиваться большинство химиков в процессе своей работы. В число таких задач входят перенос вещества через мембрану, каталитические гомогенные и гетерогенные реакции, сорбционные и хроматографические процессы, ректификационное разделение смеси веществ. При этом оказалось, что для того чтобы проиллюстрировать и доказать базовые моменты химической макрокинетики, удобно в достаточно большой степени сконцентрироваться на сорбционных процессах. Это связано с тем, что сорбционные процессы сами по себе понятны всем химикам. Для них в рамках курса возможно получать достаточно простые аналитические решения и проводить численные расчеты.