气固反应原理

目录
前言
第1章 量子化学与势能面 1
1.1 简介 1
1.2 薛定谔方程 2
1.2.1 波与粒子 2
1.2.2 波粒二象性 4
1.2.3 薛定谔方程 6
1.2.4 波函数 7
1.3 一维势阱的量子力学分析与思考 10
1.3.1 一维势阱 10
1.3.2 不确定性原理 14
1.3.3 互补原理 15
1.3.4 量子力学隧道效应 15
1.3.5 量子力学隧道效应的应用 18
1.4 算符 21
1.5 薛定谔方程的简单应用 25
1.5.1 谐振子 25
1.5.2 分子刚性转子模型 28
1.5.3 电子能量 29
1.6 玻恩-奥本海默近似原理 34
1.7 量子化学计算的变分方法 36
1.7.1 变分法概述 36
1.7.2 线性变分法 37
1.8 量子化学计算的哈特里-福克方法 41
1.8.1 泛函的变分方法 41
1.8.2 哈特里平均场理论 43
1.8.3 哈特里-福克理论 46
1.9 量子化学计算的密度泛函理论 47
1.9.1 Hohenberg-Kohn定理 47
1.9.2 Kohn-Sham方程 50
1.9.3 Kohn-Sham方程计算的LDA方法 55
1.10 化学反应势能面 56
1.10.1 势能面概念 56
1.10.2 势能面的构建 58
1.10.3 势能面上的过渡态 62
1.10.4 过渡态搜索算法 64
1.10.5 过渡态的测量 68
1.10.6 势能面的应用 69
1.11 小结 71
符号表 73
参考文献 74
第2章 统计力学与化学平衡 79
2.1 简介 79
2.2 能级 79
2.3 基于最大熵法的统计力学 82
2.3.1 最大熵法 82
2.3.2 能量约束 84
2.3.3 近独立粒子系统 85
2.3.4 混合物粒子系统 87
2.4 配分函数的应用 89
2.4.1 热力学函数的统计力学表示 89
2.4.2 状态方程的推导 90
2.5 基于统计力学的化学平衡 92
2.5.1 化学平衡计算的统计力学推导 92
2.5.2 化学平衡的数值计算算法 96
2.6 化学平衡计算的元素势能法 102
2.6.1 元素势能法 102
2.6.2 元素势能法的求解方法 105
2.6.3 元素势能法的数值求解步骤 108
2.7 动力学约束的化学平衡计算 112
2.8 化学平衡常数 119
2.8.1 化学平衡常数的统计力学推导 119
2.8.2 化学平衡常数的统计力学意义 122
2.8.3 化学平衡常数的计算 127
2.8.4 平衡常数的影响因素 128
2.9 气固反应化学平衡的计算 133
2.9.1 金属氧化/还原反应的Ellingham图 134
2.9.2 金属氧化物与CO2反应的平衡常数 139
2.9.3 同时反应平衡组成的计算 142
2.10 小结 147
符号表 149
参考文献 150
第3章 化学反应动力学与机理简化 153
3.1 简介 153
3.2 化学反应 154
3.2.1 化学反应方程式 154
3.2.2 化学反应速率的质量作用定律 156
3.2.3 基元反应与总包反应 160
3.3 化学反应动力学的阿伦尼乌斯形式 163
3.4 化学反应速率的分子碰撞理论 165
3.4.1 硬球碰撞理论 165
3.4.2 气体分子运动速度的麦克斯韦-玻尔兹曼分布 168
3.4.3 分子有效碰撞理论 172
3.5 过渡态理论 177
3.5.1 过渡态理论的Eyring 公式 178
3.5.2 分子配分函数(q′T，qV，qE和qR)表达式 181
3.5.3 反应速率与配分函数间的关系 184
3.5.4 化学反应速率过渡态理论的Eyring公式热力学特性 185
3.6 单分子反应的RRKM理论 187
3.6.1 Lindemann理论 187
3.6.2 Lindemann-Hinshelwood理论 189
3.6.3 RRK理论 189
3.6.4 RRKM理论 189
3.7 化学反应详细机理 190
3.8 化学反应详细机理的简化 195
3.8.1 骨架机理的建立 195
3.8.2 准稳态假设 197
3.8.3 选择并消去准稳态组分所对应的一组线性无关的快反应 199
3.8.4 建立总包反应速率方程 204
3.8.5 准稳态组分矩阵的求解 207
3.8.6 减少计算量的一些技巧 209
3.9 选择性非催化还原详细机理的简化 210
3.10 化学反应过程的总包反应 214
3.10.1 总包反应的建立 214
3.10.2 总包反应中反应速率常数k及阶数α的搜索算法 215
3.11 煤粉低氮燃烧中含硫气相组分的总包反应 216
3.11.1 含硫组分气相反应详细机理 217
3.11.2 含硫组分气相总包反应 218
3.11.3 含硫组分气相总包反应动力学参数的优化 219
3.11.4 敏感性分析 224
3.11.5 总包反应的验证 226
3.12 小结 228
符号表 229
参考文献 231
第4章 固体结构与缺陷化学 236
4.1 简介 236
4.2 固体中原子间作用力 236
4.2.1 离子键 237
4.2.2 共价键 240
4.2.3 金属键 242
4.2.4 分子键和分子晶体 243
4.2.5 氢键 246
4.2.6 结合能 247
4.3 固体结构 250
4.3.1 晶体的结构及点阵 252
4.3.2 晶系和点阵类型 255
4.3.3 晶面和晶向指数 257
4.3.4 常见晶体结构及几何特征 263
4.4 固体中的缺陷及平衡 267
4.4.1 缺陷类型 267
4.4.2 缺陷的热力学平衡 268
4.4.3 缺陷的符号表示 271
4.4.4 缺陷反应及其书写原则 273
4.5 内缺陷、外缺陷及缺陷缔合物 274
4.5.1 内缺陷 274
4.5.2 外缺陷 275
4.5.3 质子缺陷 285
4.5.4 缺陷缔合物 287
4.6 能带 288
4.7 电子缺陷 292
4.8 非化学计量化合物 294
4.8.1 非化学计量概念 294
4.8.2 非化学计量内缺陷 297
4.8.3 非化学计量外缺陷 298
4.9 小结 300
符号表 301
参考文献 302
第5章 固体表面结构与气固表面反应 306
5.1 简介 306
5.2 固体表面结构 307
5.2.1 平移对称性和点对称性 307
5.2.2 二维点阵的米勒指数 309
5.2.3 二维表面结构的表示方法 313
5.2.4 二维表面结构的倒易点阵 317
5.3 表面热力学与表面能 320
5.4 物理吸附与化学吸附 325
5.4.1 物理吸附 325
5.4.2 化学吸附 329
5.5 吸附动力学 333
5.5.1 Langmuir等温吸附式 334
5.5.2 吸附热的确定 336
5.5.3 Langmuir等温吸附式在表面反应中的应用 338
5.6 表面反应 342
5.7 表面吸附与反应过程分析 348
5.7.1 表面吸附与反应的部分平衡分析法 349
5.7.2 表面吸附与反应的准稳态分析法 352
5.7.3 反应增强式表面吸附与反应 363
5.8 表面扩散 365
5.8.1 表面扩散系数 366
5.8.2 表面扩散的时间尺度 367
5.8.3 表面扩散系数的实验测量 368
5.8.4 表面扩散的理论计算 369
5.9 表面反应的非线性动力学 373
5.9.1 化学反应的振荡现象 373
5.9.2 表面反应的振荡现象 375
5.9.3 表面反应的自组织行为 377
5.9.4 气固反应的自组织行为 378
5.10 小结 379
符号表 381
参考文献 382
第6章 固体产物形成与生长 388
6.1 简介 388
6.2 气固反应中的固体产物结构 389
6.3 气固反应中固体产物形成与生长图像 394
6.3.1 CaO与CO2反应 395
6.3.2 MgO与SO2和O2反应中MgSO4产物的形成与生长 396
6.3.3 CaCO3在高温高浓度CO2下的表面形貌变化 398
6.3.4 CaCO3与SO2和O2的直接硫化反应 401
6.3.5 Ca(OH)2与SO2反应的AFM图像 401
6.3.6 Fe和Cu的氧化 403
6.3.7 NiO的还原 406
6.4 固体粒子的化学势及吉布斯-汤姆孙方程 407
6.4.1 固体粒子的化学势 407
6.4.2 吉布斯-汤姆孙方程 409
6.4.3 固体粒子的表面扩散 410
6.5 固体产物的成核与生长 411
6.5.1 固体产物生长模式 411
6.5.2 均相成核 412
6.5.3 异相成核 414
6.5.4 固体反应物表面上的成核 417
6.5.5 固体产物的生长 419
6.5.6 固体产物岛的形态 420
6.6 Ostwald粗化 422
6.6.1 动力学方程 422
6.6.2 一维连续性方程 425
6.6.3 质量守恒方程 426
6.7 Ostwald粗化方程的解析解 430
6.8 固体产物成核、生长及粗化对动力学的影响 436
6.9 气固反应中固体产物生长的速率方程理论 439
6.9.1 物理图像 439
6.9.2 速率方程 441
6.9.3 速率方程的物理含义 446
6.9.4 速率方程的离散与数值解法 447
6.9.5 速率方程的应用 450
6.10 气固反应中临界产物层及调控 453
6.11 小结 457
符号表 459
参考文献 460
第7章 产物层扩散 465
7.1 简介 465
7.2 菲克扩散定律 468
7.2.1 菲克扩散定律 468
7.2.2 非稳态扩散的玻尔兹曼解法 470
7.2.3 俣野解法 473
7.3 固态扩散的微观理论 475
7.3.1 菲克扩散定律的微观形式 475
7.3.2 扩散原子的随机行走理论 477
7.3.3 固态扩散的微观机制 479
7.4 固体原子互扩散的克肯达尔效应 487
7.4.1 克肯达尔效应 487
7.4.2 克肯达尔效应的达肯公式 489
7.4.3 克肯达尔效应的实际应用 492
7.4.4 产物