Chemistry Labs

第 1 题

到达金属表面的氢分子解离并吸附为H原子：HX2(g)→2 H(ad)\ce{H2(g) -> 2H(ad)}。吸附的氢原子或者进入体相 H(ad)→H(ab)\ce{H(ad) -> H(ab)}，或者复合脱附。每个表面位点的速率为：吸附 r1=k1PHX2(1−θ)2r_1 = k_1 P_{\ce{H2}}(1-\theta)^2，脱附 r2=k2θ2r_2 = k_2\theta^2，吸收 r3=k3θr_3 = k_3\theta，其中 θ\theta 为H原子占据的位点分数。吸附与脱附远快于吸收（r1,r2≫r3r_1, r_2 \gg r_3），θ\theta 恒定。(a) 把 r3r_3 表示为 PHX2P_{\ce{H2}} 的函数，证明可写成 r3=k3CPHX21+CPHX2r_3 = k_3\dfrac{\sqrt{C P_{\ce{H2}}}}{1+\sqrt{C P_{\ce{H2}}}}，并用 k1k_1、k2k_2 表示 CC。(b) 面积 S=1.0×10−3S = 1.0\times 10^{-3} m2^2 的金属样品置于含 PHX2=1.0×104P_{\ce{H2}} = 1.0\times 10^{4} Pa 氢气的1.0 L容器中；吸附位点密度 N=1.3×1018N = 1.3\times 10^{18} m−2^{-2}，T=400T = 400 K。随吸收进行，PHX2P_{\ce{H2}} 以恒定速率 v=4.0×10−4v = 4.0\times 10^{-4} Pa s−1^{-1} 下降。计算单位面积单位时间吸收的H原子物质的量 AA [mol s−1^{-1} m−2^{-2}]。(c) 400 K时 C=1.0×102C = 1.0\times 10^{2} Pa−1^{-1}，求 k3k_3。
第 1/3 步：Langmuir覆盖度
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k1PHX2(1−θ)2=k2θ2⇒θ=(k1/k2)PHX21+(k1/k2)PHX2,C=k1k2k_1 P_{\ce{H2}}(1-\theta)^2 = k_2\theta^2 \Rightarrow \theta = \dfrac{\sqrt{(k_1/k_2)P_{\ce{H2}}}}{1+\sqrt{(k_1/k_2)P_{\ce{H2}}}},\quad C = \dfrac{k_1}{k_2}
分析

由于 r3r_3 极小，吸附与脱附近似平衡：r1≈r2r_1 \approx r_2 给出 k1PHX2(1−θ)=k2 θ\sqrt{k_1 P_{\ce{H2}}}(1-\theta) = \sqrt{k_2}\,\theta，故 θ=CPHX21+CPHX2\theta = \dfrac{\sqrt{CP_{\ce{H2}}}}{1+\sqrt{CP_{\ce{H2}}}}（C=k1/k2C = k_1/k_2），且 r3=k3θr_3 = k_3\theta。