התרמודינמיקה היא האדריכל השקט מאחורי כל טרנספורמציה כימית, השולטת אם תגובה יכולה להמשיך, כמה אנרגיה היא צורכת או משחררת, והיכן שיווי המשקל שלה הוא בחיפוש אחר זרז כימי חדש - חומרים מאיץ תגובות ללא צרכו - דינמיות מספקת את המגבלות הבסיסיות והזדמנויות.ללא תפיסה מוצקה של נופים אנרגיה, אנטרופיה, אנרגיה חופשית, עיצובי יהיה לנחש היום, ממריץ את המחקר הזה, אך ורק על ידי מתודולוגיה יעילה יותר, אך ורק על ידי הנדסת אנרגיה מתקדמת, אך ורק על ידי הנדסת חשמל, אך ורק על ידי אקטיביסטרקטיבית, הם חוקרים, אך ורק על ידי מתודולוגיה, לא יציבים, אלא גם כן, לא מספיק, אלא גם כן, הם חוקרים, אלא גם על ידי מתודולוגית, כדי לפתח יעיל יותר, אלא גם כן, אלא גם מתודולוגיה, אלא גם מתודולוגיה, כדי לפתח מודלים מתקדמים, גמישים, כדי לפתח יעיל יותר, גמישים, גמישים, אלא גם, אלא גם, אלא גם, גמישים, גמישים, כדי לפתח מודלים גמישים, כדי לפתח שיטות פיתוח יעיל יותר, ללא תפיסה מתקדמת יותר, אך ורק שיטות פיתוח יעיל יותר, גמישים, גמישים, גמישים, ללא תפיסה יעילה יותר, אלא גם, אלא

יסודות של כימיקלים

התרמודינמיקה בכימיה היא המחקר של זרימת אנרגיה וטרנספורמציה במהלך תגובות כימיות.זה מאפשר למדענים לחזות את התגובה ספונטניות, היקף ההמרה באיזון, ואת החום החלף עם הסביבה.שלושת עמודי התווך של תרמודינמיקה כימית - גלס אנרגיה חופשית, enthalpy, entropy - form את הבסיס להבנת ולעיצוב זרז.

גיבס אנרגיה חופשית ותגובה ספונטנית

שינוי האנרגיה החופשי של גיבס (ראה:0) של תגובה הוא הכמות התרמודינמית החשובה ביותר עבור לקבוע אם תגובה יכולה להתרחש באופן ספונטני בתנאים מסוימים. Defined as ⁇ G = ⁇ H - T ⁇ S, שבו ⁇ H הוא שינוי עצלני, T הוא טמפרטורה מוחלטת, ו ⁇ S הוא שינוי אנרגטי, שלילי הוא תגובה חיובית, אך תגובה גמישה יותר, הוא תגובה חיובית, אך פעולה, אינה משתנה באופן טבעי, הוא תגובה חיובית, אך תגובה חיובית, הוא תגובה.

תרומה אנתפירית ו- Entropy

Enthalpy ( ⁇ H) מייצג את החום נספג או שוחרר במהלך תגובה. בקטאליזה, enthalpy של מודעות או אפשרות של מגיבים על משטח זרז, כמו גם את הליטוף של הפעלה, השפעות ישירות פעילות. Entropy ( ⁇ S), לעומת זאת, מתייחס לדרגה של הפרעה או מספר microstates נגישים.

Equilibrium Constants ו- Reaction Quotients

האיזון הקבוע K נגזר מ- ⁇ G: ⁇ G ° = -RT ln K. Catalysts לא לשנות את קבוע שיווי המשקל; הם רק לעזור למערכת להגיע לאיזון מהיר יותר.עם זאת, בפועל, תהליכים קטליטיים תעשייתיים רבים פועלים בתנאים רחוק ממאזן כדי להשיג גבוה דרך חישוב.ניתוח דלקת ריאות מסייע לקבוע את התשואות המקסימליות האפשריות ועיצוב הכור (למשל, באמצעות עקרון הפניה של להסרה על ידי הסרת לחץ מתמשך על ידי שינוי המוצר).

כיצד Catalysts Interact עם פרדוקסים של התרמודינמיקה

בעוד זרזים אינם משנים את התרמודינמיות הגדולות של תגובה, הם משחזרים ביסודו את הנתיב הקינטי – ואת הנתיב הקינטי מושרש בכמויות תרמודינמיקה של מדינת המעבר.

תורת המדינה של מעבר וההתמדה

משוואה Eyring מתיאוריה של מדינת מעבר מבטאת את השיעור קבוע k כמו:

(ב) ,0)= (k B T / h) exp (- ⁇ G ‡ / RT)

כאשר ⁇ G הוא האנרגיה החינמית של הפעלה גיבס - ההבדל בין מצב המעבר לבין המשיבים. Aזרז מוריד ⁇ G ‡ על ידי ייצוב מדינת המעבר ביחס לתוקפים.ייצוב זה הוא תרמודינמיקה בטבע: הזרז יוצר משטח אנרגיה פוטנציאלי חדש עם נקודת אנרגיה נמוכה יותר אנרגיה סדדל אנרגיה. ⁇ H ⁇ ⁇ ⁇ S גם חומר; חומר זה מקטין את כל ⁇ nreatives, אבל לא יכול להיות יעיל יותר.

לדוגמה, בקטאליזה האנזים, האתר הפעיל מבסס את המצע באוריינטציה מדויקת שמפחיתה את העלות הenthalpic (על ידי קבוצות פונקציונליות מאורגנות מראש) ואת העונש האנטרופי (על ידי צמצום תארים תרגומים וסיבוביים של חופש).אפקט סינרגי זה מניב קצב האצה של 106 עד 1012.

Catalyst Stability ו Deactivation Thermodynamics

זרז עצמו כפוף למגבלות תרמודינמיקה. Catalyst deactivation - באמצעות חטא, הרעלה או טרנספורמציה שלב - מונע לעתים קרובות על ידי תרמודינמיקה.לדוגמה, חלקיקים מתכת על זרז תמיכה עשוי agglomerate כדי להפחית את האנרגיה פני השטח (כוח נהיגה תרמודינמית) הבנה של האנרגיה החינמית של פני השטח, פגמים, ומודעות מסייע לחוקרים לעצב זרז יציב יותר על ידי בחירה כי חלקיקים או לעשות לחץ על ידי הפעלת לחץ דם על ידי הפעלת לחץ דם.

עקרונות התרמודינמיקה בעיצוב Catalyst

פיתוח זרז מודרני מבוסס על מספר מערכות יחסים דרוגדינמיות המחברות את המאפיינים של חומרים קטליטיים שונים.מערכות יחסים אלה להנחות את החיפוש עבור יצירות אופטימליות.

The Sabatier Principle and Volcano Plots

עקרון סבאטי קובע כי זרז אופטימלי נקשר מגיבים ו ביניים עם כוח מתון - לא חזק מדי (אשר מרעיל את פני השטח) ולא חלש מדי (שלא מצליח להפעיל את האג"ח) זה מעלה עלילות בצורת הר געש של פעילות קטליטית מול מפיץ כגון מודעות הכחשה של אנרגיה חופשית של אמצעי ביניים.

יחסי סקר וקוויר אנרגיה חופשית

יחסי סקלינג (המכונים גם מערכות יחסים של ברונזד-אוואנס-פוני) חושפים כי מחסומים ההפעלה לתגובות פני השטח לעתים קרובות בקנה מידה ליניארי עם אנרגיית התגובה ( ⁇ H או ⁇ G) זה אומר כי זרז המייצב ביניים מסוים גם יייצב את מצב המעבר המוביל אליו, בתוך גבולות מסוימים.על ידי שילוב יחסי סקאלה עם מגרשי געש, החוקרים יכולים לזהות את הפעילות התיאורטית עבור פעילות מסוימת של מערכת יחסים של טיפולית, למשל, ללא מגבלות הנדסיות, כגון, כגון, גם על פני פיזור חומרים מתקדמים, או מגבלות.

מחקר מקרה: Ammonia Synthesis (Haber-Bosch)

תהליך ה- Haber-Bosch ל- סינתזה של אמוניה (N2 + 3H2 ⁇ 2NH3) הוא exergonic בטמפרטורת החדר אבל באופן קיננטי על ידי חיבור משולש N ⁇ N חזק.ניתוח התרמודינמיקה מראה כי המרה של משקל יורד עם עודף טמפרטורה מוגברת, יצירת מתח גבוה יותר קינטיקה אבל נמוך יותר זרז ברזל (כיום עם אשלגן ו- 300) עובד נמוך יותר.

מחקר: Fisher-Tropsch Synthesis

ב-Sil-Tropsch סינתזה, CO ו-H2bid מומרים לתוך פחמימנים של אורך שרשרת משתנה.הפצה של המוצר נשלטת על ידי מודל אנדרסון-Schulz-Flory (ASF) אשר מושרש בתרמודינמיקה ו-Cנטינטיקה של שרשרת צמיחה.ההסתברות של פיזור שרשרת לעומת סיום תלויה באנרגיה חופשית של הוספת מונות צ'קס לעומת מודל ה-אוקס (Ricrebing) אשר מאפשר גם את ה-rections) של מודלים של ייצור של מוצרי זרזים או זרזים פעילים.

Thermodynamics for Catalyst Discovery

הנישואים של מכניקת הקוונטים ותרמודינמיקה יצרו כלים חישוביים חזקים אשר מאיצים את התפתחות הזרז באופן עצום.

תיאוריית תפקוד הכחשה (DFT) ו-Free Energy Calculations

DFT מחשב את המבנה האלקטרוני ואת האנרגיה הכוללת של מערכת.על ידי חישוב האנרגיה של משטח זרז עם וללא חומרים מפרסומות, החוקרים מקבלים אנרגיות תגובה ( ⁇ E) ו, עם תיקונים עבור אנטרופיה רטט ואנרגיה אפס נקודות, אנרגיות נמוכות משוערות ללא חיזוי (Keratial מימן אלקטרודה (CHE) מודל שפותח על ידי Nørskovrs ועמיתיו, מתייחס לאנרגיה חופשית של proton-coupupupupup ניסיונית תאים כגון טיפול אלקטרוני נמוך יותר מאשר תגובה אלקטרוליטית) מאוחר יותר מאשר סימולציה אלקטרונית.

מודלים מיקרו-קינוטיים עם Inputs

מודלים מיקרו-קינוטיים משלבים את קבועי השיעור (המוכרים מתיאוריה של מצב המעבר ואנרגיות חופשיות DFT) למערכת של משוואות שונות רגילה המדהימות את התגובה בתנאים ריאליים.מודלים הללו מנבאים תדרי מחזור,סלקטיביות, ואת ההשפעות של טמפרטורה ולחץ.הם גם חושפים את הצעד שנקבע מראש ואת המולטי פני השטח בשפע ביותר, אופטימיזציה ניסיונית היא כי מודלים מיקרו-קיניים כוללים במפורש כוחות ריפוייים (Ricerliarium) של צעדים קבועים של צעדים).

צילום מסך גבוה ולמידה של מכונות

תיאורי התרמודינמיקה שזוהו על ידי DFT (למשל, אנרגיות מודעות של *O, *OH, *OOH) משמשות כתכונות עבור מודלים למידת מכונה.רשת עצבית מאומנת יכול לחזות את הפעילות של מיליוני מבנים זרז היפותטי, הפעלת מרחב החיפוש ל קומץ של מועמדים מבטיחים עבור סינתטיס ניסיוני.

כיוונים עתידיים: שיתוק בר קיימא והתרמודינמיקה

הצורך הדחוי בתהליכים כימיים בר-קיימא – מונע על ידי שינויי אקלים ומחסור במשאבי – הוא ממקם את התרמודינמיקה במרכז החדשנות.

אלקטרו-קליטיזציה של אנרגיה

תגובות אלקטרו-קטליטיות כגון תגובת האבולוציה של החמצן, תגובת האבולוציה של מימן, והפחתה CO2 הן מרכזיות לייצור מימן ירוק ומחזור פחמן.היתר (המתח הנוסף מעבר לפוטנציאל התרמודינמיקה) הוא מדד ישיר של יעילות CO2.ניתוח תרמומיאני מזהה את הזרז האידיאלי כמו אחד הממזער את העודף על ידי ייצוב של ביניים כי הגבלת זמן האחרונה של חשיפה אלקטרונית (למשל, אשר הובילה ל-coirtential) עם חומרים אופטיקה גבוהה יותר, אשר הובילה ל-religicerlindol (מחדשניתוקציה) של חומרים אופטיקה) עם הגבלת אנרגיה גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, על פני השטח של חומר רב-co-co.

פוטו-קטאליזה ודלקים סולאריים

Photocatalysis משתמשת באנרגיה קלה כדי להניע תגובות עלה באופן תרמודינמי, כגון מים פיצול לתוך H2 ו O2. פער הלהקה של סמי-מוליכים למחצה photocatalyst חייב לזרז את הפוטנציאלים של החמצן האדום של התגובות.ניתוח התרמודינמיקה של אנרגיות המרה חינם התגובה, יחד עם אנרגיה סולארית פוטונית הנדרשת, מניפולציות על בחירת חומרים (למשל, TiO2, biVO4 ⁇ , השפעות מתקדמות).

Machine-Learning-Acceleelerated Thermoדינמית Database Construction

מאמצים חישוביים בקנה מידה גדול (למשל, פרויקט החומרים, פרויקט Catalyst פתוח) מספקים כעת נתונים אנרגיה חינם עבור מיליוני משטחים והגדרות מודעות.מאגרי נתונים אלה מאפשרים לתופעמות נתונים בין תיאורי תרמודינמיקה ופעילות קטליטית.הצעד הבא הוא לשלב אפקטים דינמיים - כגון פיזור, שדות חשמליים, אינטראקציות עצמאיות סיקור - במודלים תרמודינמיקה ניסיוניים יכול לקצר את התגובה המתמטית של DFT באופן מדויק יותר מאשר סימולציה מולקולרית של נתונים.

מסקנה

התרמודינמיקה אינה מעצמה סטטית בקטאליזה; היא מסגרת דינמית המודיעה לכל שלב של עיצוב זרז, מהרעיון הראשוני לפריסה תעשייתית.ההכרה כי זרזים לא משנים את התרמודינמיקה הכוללת של תגובה, אלא במקום זאת משחזרים את הנוף האנרגיה החופשי הפעילה הובילה גם להתקדמות עמוקה יותר בהבנה של מנגנוני תגובה.

לקריאה נוספת על המושגים הבסיסיים, ראה את ה-FLT:01717171717171717171717171717171717171717171717171717171717171717, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇