Combined use of calorimetric and adsorption kinetic methods for the study of the mechanisms of catalytic processes

Consideration is given to the main results obtained in studies based on calorimetric methods at high temperatures (above room temperature) of the following aspects of the mechanisms of catalytic and sorption processes on powder catalysts: 1) relation between chemisorption and dissolution of gases in the subsurface layers of solids; 2) influence of surface-adsorbed substance on the adsorption of another substance from the gas phase; 3) nature of intermediate species formed during catalytic processes on the catalyst surface. Results are presented of the application of calorimetric methods to measuring the enthalpy change of polymerization in a dry system: gaseous monomer — solid catalyst — solid polymer, and to investigating the mechanisms of such processes. Anomalous solubility of gases in the subsurface layers of solids has been shown to be significant for the mechanism of nucleation during phase transitions in solids.

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Zusamenfassung Die wichtigsten Ergebnisse der auf kalorimetrischen Methoden bei hohen Temperaturen (über Raumtemperatur) beruhenden Untersuchungen der Mechanismen von katalytischen und Sorptionsprozessen an pulverförmigen Katalysatoren werden behandelt: 1) Zusammenhang zwischen Chemisorption und Lösung von Gasen in den Schichten von Festkörpern unterhalb der Oberfläche; 2) Einfluß der an der Oberfläche adsorbierten Substanz auf die Adsorption einer anderen Substanz aus der Gasphase; 3) Beschaffenheit der während des katalytischen Vorgangs an der Katalysator-Oberfläche entstandenen Intermediärteilchen.Ergebnisse der Anwendung der kalorimetrischen Methode zur Messung der Enthalpie-Änderungen der Polymerisation im trockenen System: gasförmiges Monomer — fester Katalysator — festes Polymer und zur Untersuchung der Mechanismen solcher Vorgänge werden mitgeteilt. Es wurde gezeigt, daß die anomale Löslichkeit von Gasen in den Schichten unterhalb der Oberfläche von Festkörpern für den Mechanismus der Keimbildung während des Phasenüberganges in Festkörpern von Bedeutung ist.

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Résumé On examine les principaux résultats obtenus lors des études effectuées à l'aide de méthodes calorimétriques à hautes températures (au-dessus de la température ambiante), sous les aspects suivants du mécanisme des réactions catalytiques et de Sorption sur des catalyseurs en poudre: 1) relation entre la chimisorption et la dissolution des gaz dans les sous-couches superficielles des solides, 2) influence d'une substance adsorbée en surface sur l'adsorption d'une autre substance de la phase gazeuse, 3) nature des particules intermédiaires formées lors de la réaction catalytique à la surface du catalyseur. Les résultats de l'application de la méthode calorimétrique à la mesure des variations d'enthalpie au cours de la polymérisation en système «sec» sont présentés: monomère gazeux — catalyseur solide — polymère solide, ainsi que ceux relatifs à l'étude du mécanisme de ces réactions. On montre que la solubilité anormale des gaz dans les sous-couches superficielles des solides joue un rôle important sur le mécanisme de la nucléation lors des transitions de phases dans les solides.

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, ( ) : 1) : 2) ; 3) , . » « — . .

     

Kinetics of decomposition of isopropylbenzene hydroperoxide catalyzed by dodecamolybdophosphoric acid

Using the NMR method, the kinetics of decomposition of isopropylbenzene hydroperoxide catalyzed by dodecamolybdophosphoric acid has been invertigated in acetone at 22–50°C. The reaction is first order with respect to both the hydroperoxide and the catalyst, the activation energy is 14 kcal/mol. The data obtained are in agreement with the reaction mechanism suggested by Kharasch /1/.

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, , 22–50°C. , 1 1 ; 14 /. , (1).

     

Synergetic effects in combined catalytic oxidation-epoxidation of cyclohexene

Catalytic properties of a mechanical mixture of SiO₂-iminodiacetatechromium(III)+V₂O₅/SiO₂ have been studied. A synergetic effect in the combined catalytic oxidation-epoxidation of cyclohexene, observed at about 40 wt.% V₂O₅, is due to the autocatalytic character of the combined process.

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Cr(III), - . 40% . - . , .

     

Adsorption heats of acrolein and acrylic acid on promoted V?Mo?O catalysts

Adsorption heats of acrolein and acrylic acid on promoted V–Mo–O catalysts for selective oxidation of acrolein have been measured by the calorimetric technique. It has been established that modification changes the energy characteristics of the interaction of acrolein and acrylic acid with catalyst surface.

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- . , .

     

Radical addition of methyldichlorosilane to vinyl acetate

The GC-MS method was used to identify the addition products of methyldichlorosilane to vinyl acetate. Radiation-induced addition of methyldichlorosilane to vinyl acetate produces 2-methyldichlorosilylethyl ethyl ether. The reaction follows a radical-chain mechanism. The ratio of the rate constants of methyldichlorosilyl radical addition to C=C and C=O to vinyl acetate amounts to 0.4±0.1 (303 K).

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- . , - 2- . , C=C C=O 0,4±0,1.

     

The kinetic equation in the DTA study of the silica gel to cristobalite transformation

The importance of the choice of a suitable kinetic equation in the DTA study of the silica gel to cristobalite transformation is pointed out. It is shown that isothermal and non-isothermal data reported in the literature are better fitted by a Johnson-Mehl-Avrami equation withn=3, rather than a first-order one.

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Zusammenfassung Die Bedeutung der Wahl einer entsprechenden kinetischen Gleichung bei der DTA-Untersuchung von Kieselgel zur Cristobalittransformation wurde aufgezeigt. Es wurde bewiesen, daß isotherme und nichtisotherme Angaben der Literatur durch eine Johnson-Mehl-Avrami-Gleichung mit n=3 besser interpoliert werden können als durch eine Gleichung »erster Ordnung«.

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Résumé On souligne l'importance du choix d'une équation cinétique convenable lors de l'étude par ATD de la transformation du gel de silice en cristobalite. On montre que les résultats cités dans la littérature obtenus en régimes isothermes et non-isothermes sont mieux interpolés par l'équation de Johnson-Mehl-Avrami avecn=3 que par une équation du «premier ordre».

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. , , , -- =3, « ».

     

Thermal conductivity measurements on samples with low cross-sections

A simple, low-cost apparatus has been designed and constructed for measurement of the thermal conductivities of samples with low cross-sections (10^–7 m²). This apparatus has been used to determine variations in the thermal conductivity of the metallic glass Fe₈₀B₂₀ (Metglas 2605) in the crystallization process induced by thermal treatment.In spite of the simplicity, the deviations from the real values of thermal conductivities measured have been lower than 8%, which has proved to be satisfactory for establishing the glass formation, temperature, T₈, from changes in thermal conductivity.

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Zusammenfassung Eine einfache, billige Apparatur zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Proben mit kleinen Querschnitten (10^–7 m²) wurde entworfen und gebaut. Die Apparatur wurde zur Bestimmung von Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit des metallischen Glases Fe₈₀B₂₀ (Mctglass 2605) während des durch thermische Behandlung ausgelösten Kristallisationsprozesses benutzt. Trotz der Einfachkeit betrug die Abweichung von den gemessenen tatsächlichen Wärmeleitfähigkeitswerten weniger als 8%, was sich als ausreichend für die Ermittlung der Glasbildungstemperatur 7₉ aus Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit erwiesen hat.

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( 10^–7 ₄). Fe₈₀B₂₀ 2605) , . , 8%, _g .

     

Reaction kinetics of alkyl and alkylperoxide radicals

Rate constants for the reaction of alkyl and alkylperoxide radicals in solutions of cyclohexane and tridecane have been measured by flash photolysis and kinetic spectrophotometry methods, respectively.

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.

     

Thermal behaviour or thallium(I) fatty acid salts,I

We have studied the thermal behaviours of the fatty acid (C₁-C₉, C₁₂, C₁₄, C₁₆ and C₁₈) thallium(I) salts.Investigating the dependence of the thermal decomposition reactions on the experimental conditions, we established that they decompose differently depending on the atmosphere, and on the shape and material of the sample holders.We also determined the heat-stable temperature ranges of the compounds in which they can be investigated without any thermal decomposition.The temperatures and enthalpy changes of the polymorphic and phase changes were measured and the corresponding entropy changes were calculated.

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Zusammenfassung Das thermische Verhalten der Thallium(I)-Salze der Fettsäuren mit C₁ bis C₉, C₁₂, C₁₄ und C₁₈ wurden untersucht. Die Temperaturen und Enthalpien der einzelnen polymorphen und Phasenänderungen, sowie die thermische Stabilität der Verbindungen wurden bestimmt. Es wurde festgestellt, daß die zu Ketonen und Gemischt-Ketonen führende thermische Zersetzung in der Schmelzphase von Destillationsprozessen begleitet wird, welche von der Molekülstruktur und von zahlreichen Versuchsbedingungen abhängig sind.

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Résumé Etude du comportement thermique des sels de thallium(I) d'acides gras (de C₁ à C₉, C₁₂, C₁₄ et C₁₈). L'étude de la décomposition thermique en fonction des conditions expérimentales a permis d'établir que les sels étudiés se décomposent différemment suivant l'atmosphère utilisée, ainsi que suivant la forme et la nature des supports échantillons. Détermination des domaines de température où ces composés restent thermiquement stables. Mesure des températures et des variations d'enthalpie des transitions de phase et des transitions polymorphiques et calcul des variations d'entropie correspondantes.

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(I) C₁-C₉, C₁₂, C₁₄, C₁₆, C₁₈. , . , , , .

     

The danger of inadvertent heterogeneous catalysis when studying solution kinetics

Reactions in solution can be heterogeneously catalyzed not only by conductance or e. m. f. electrodes but also by precipitates formed during the titration of qliquots. Attempts to follow a Menschutkin reaction by Volhard titrations revealed serious errors caused by the catalysis of a side reaction by insoluble silver salts.

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, . , .

     

Adsorption of molecular and atomic oxygen on gold

Molecular oxygen adsorbs on gold surfaces at elevated temperatures (T900 K) forming a surface gold oxide which does not decompose in vacuum at T=1000 K. Atomic oxygen adsorbs at T=300 K and completely desorbs from the surface at T=500–600 K (E_des=12–15 kcal/mol) without trandformation to surface oxide oxygen.

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, T900 . , T=1000 . T=300 T=500–600 (=12–15 /), .

     

Ethylene hydroformylation over a nafion-supported rhodium catalyst

Ethylene hydroformylation over a Nafion-supported rhodium catalyst has been studied under atmospheric pressure in the temperature range of 100–135 °C, using the transient response method.

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, , 100–135°C, .

     

Methanation of CO2 over Ru?SiO2 catalyst

Using Ru–SiO₂ catalyst, the kinetics of methanation of carbon dioxide has been studied. In the temperature range of 320–460°C a simple power law model is found to predict experimental results with a good agreement over the range of variables studied.

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Ru/SiO₂. , 320–460°C.

     

Thermogravimetric changes influenced by the compaction of graphite-CrO3 intercalation compounds

The changes resulting from the compression of graphite-CrO₃ intercalation compounds are demonstrated in the TG curves. In comparison with the samples examined in the form of a flake bed, the compacted compounds begin to decompose at lower temperatures and their weight loss is higher, particularly above 220 °C. To explain the obtained results, the pressure-induced changes in the structures and the activities of the compounds are considered in relation to the method of intercalation, the concentration of the intercalant and the extent of exfoliation.

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Zusammenfassung Anhand von TG-Kurven wurden Veränderungen demonstriert, die durch das Verdichten von Graphit-CrO₃-Einlagerungsverbindungen hervorgerufen werden. Im Vergleich zu Proben, untersucht in Form von Flocken, beginnen die kompakten Verbindungen sich bei niedrigeren Temperaturen zu zersetzen und zeigen einen grösseren Masseverlust, insbesondere beim Überschreiten von 220 °C. Zur Deutung der erhaltenen Ergebnisse wurden die druckverursachten Veränderungen in Hinsicht auf das Verfahren der Einlagerung, die Einlagerungskonzentration und auf das Ausmass der Abbröckelung in Betracht gezogen.

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, -r₃. , , , 220°. , , .

     

Effect of acid treatment on the properties of an activated carbon

The enhancement of the activity of a carbon treated with HF is due to the drastic diminution of its inorganic impurities, which produces an increase of the surface area of the carbon, a stronger Pt-C interaction and a higher Pt dispersity.

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, HF, , , Pt-C Pt.

     

51V NMR studies of systems V2O5-KHSO4 and V2O5?K2SO4

Systems V₂O₅–KHSO₄ and V₂O₅–K₂SO₄ have been studied by the⁵¹V NMR method. The first system demonstrates the same states of vanadium as the previously studied V₂O₅–K₂S₂O₇, in this system a compound with an equimolar ratio of components has been found. In V₂O₅–K₂SO₄ the state of vanadium differs from the above systems and the formation of a compound with V/K=4 is observed.

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⁵¹V KHSO₄–V₂O₅ K₂SO₄–V₂O₅. , K₂S₂O₇–V₂O₅, . K₂SO₄–V₂O₅ V/K4.

     

The thermal decomposition reactions of bis-(pyridine-2-aldoxime)-copper(II) complexes

The thermal properties of some complexes of copper(II) with pyridine-2-aldoxime (HPAO), where the ligand appears either as the ion (PAO^–) or as a neutral molecule, were determined in vacuo and in dynamic nitrogen and oxygen gas atmospheres. The study was carried out by thermoanalytical (TG, DTG. DTA), spectroscopic and spectrometric (UV-visible, IR, diffuse reflectance, mass) techniques.The initial decomposition temperature is influenced by the number of acid hydrogens in the complex; the thermal stability sequence in vacuo is: [Cu(PAO)₂H]Cl > [Cu(PAO)₂H₂]Cl₂ > [Cu(PAO)₂]The thermal decomposition reactions occur in several separate steps, the first of which gives rise to partial ligand decomposition, the reduction of copper(II) to copper(I), and the conversion of the residual pyridine-2-aldoxime into acid amide.

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Zusammenfassung Die thermischen Eigenschaften einiger Komplexe von Kupfer(II) mit Pyridin-2-aldoxim (HPAO), in denen der Ligand entweder als Ion (PAO^–) oder als neutrales Molekül vorliegt, wurden im Vakuum und in dynamischer N₂- und O₂-Atmosphäre ermittelt. Zur Untersuchung wurden thermoanalytische (TG, DTG, DTA) und spektrometrische (UV-sichtbar, IR, diffuse Reflektionsspektrophotometrie, Massenspektrometrie) Techniken herangezogen. Die Temperatur, bei der die Zersetzung beginnt, wird durch die Zahl der sauren Wasserstoffatome im Komplex beeinflußt; für die thermische Stabilität im Vakuum gilt die Reihenfolge [Cu(PAO)₂H]Cl > [Cu(PAO)₂H₂]Cl₂ > [Cu(PAO)₂]. Die thermischen Zersetzurigsreaktionen verlaufen in mehreren diskreten Schritten, wobei der erste von diesen eine partielle Zersetzung des Liganden, die Reduktion von Kupfer(II) zu Kupfer(I) und die Konversion des verbleibenden Pyridin-2-aldoxims in das Säureamid in sich einschließt.

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-2- ( ), (-), . (, , ) , - , , - . , [Cu(PAO)₂H]CI > [Cu(PAO)₂H₂]Cl₂ > [Cu(PAO)₂] , , -2- .

     

Thermal decomposition of rare earth complexes with o-aminobenzoic acid

The conditions of thermal decomposition of La, Ce(III), Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu anthranilates have been studied. The anhydrous La, Ce(III), Pr(III), Nd and Sm anthranilates decompose in one step directly to the oxides Ln₂O₃, CeO₂ or Pr₆O₁₁. The monoand dihydrated anthranilates of the remaining rare earths first lose crystallization water when heated, and then decompose exothermally to the oxides Ln₂O₃ or Tb₄O₇.

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Zusammenfassung Die Bedingungen der thermischen Zersetzung der Anthranilate von La, Ce(III), Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu wurden untersucht. Die wasserfreien Anthranilate von La, Ce(III), Pr(III) und Nd zersetzen sich in einem Schritt direkt zu den Oxiden Ln₂O₃, CeO₂ und Pr₆O₁₁. Die ein oder zwei Kristallwasser enthaltenden Anthranilate der übrigen seltenen Erdmetalle werden beim Erhitzen zunächst dehydratisiert und danach exotherm zu den Oxiden Ln₂O₃ und Tb₄O₇ abgebaut.

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, . , , Ln₂O₃, CeO₂ Pr₆O₁₁. - Ln₂O₃ Tb₄O₇.

     

Thermometrische und Enthalpimetrische Titrationsmethoden

Zusammenfassung Ausgehend von der allgemeinsten Form der Wärmeleistungsbilanzgleichung für thermometrische und enthalpiemetrische Titrationsmethoden werden die Möglichkeiten dieser Methoden in der analytischen Chemie und im Bereich der Stoffdatenbestimmung aufgezeigt und kritisch gewürdigt. Der Bedarf an zuverlässigen Stoffdaten erschließt den thermometrischen und enthalpiemetrischen Titrationsmethoden im Bereich der Thermo chemie der Lösungen neue Anwendungsgebiete.

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Starting from the most general form of the balance equation of thermal performance for thermometric and enthalpimetric methods of titration, the possibilities of these methods in analytical chemistry and in the field of determining data on materials are demonstrated and critically appreciated. The demand for reliable data on materials opens new fields of application of thermometric and enthalpimetric titration methods in the sphere of the thermal chemistry of solutions.

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Résumé A partir de la forme la plus générale de l'équation du bilan de puissance calorifique pour les méthodes de titrages thermométriques et enthalpimétriques, on montre les possibilités de ces méthodes en chimie analytique et dans le domaine de la détermination des données des substances et on en donne une appréciation critique. Les exigences sur les données sûres relatives aux constituants ouvrent aux méthodes de titrations thermpmétriques et enthalpimétriques de nouveaux domaines d'application dans le domaine de la thermochimie en solution.

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, , . .

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Vorgetragen anläßlich des II. Seminars Thermometrische Analyse (II. Thermometriás Szeminárium) Budapest, 2–7 September 1980.

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Teile dieser Arbeit sind Ergebnisse, die im Rahmen eines vom Bundesministerium für Forschung und Technologie gef6rderten Forschungsprogramms der DECHEMA (F91-J) am Lehrstuhl für Chemie VI der Universität Regensburg erhalten wurden. Herrn Prof. Dr. R. Wachter, Universität Regensburg, danke ich für Diskussionen und Hinweise.