催化化学精品课件

1、催化化学第1页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1 催化剂和催化作用 1.1 关于催化剂和催化作用的定义1835年: “催化力”使物质发生分解的作用,叫催化力. 60年后 W.Oslwald(1896年) 由于化学热力学及气体反应动力学的发展, “催化作用”是在外来物质的存在下,对慢反应的加速; “任何物质,它不参加到化学反应的最终产物中去,只是改变这个反应速度的,称催化剂” “在可逆反应中,催化剂仅能加速反应平衡的到达,而不能改变平衡常 数”阐明: 催化剂 与 反应速度、化学平衡 的关系,但并未阐明：催化剂参加化学反应,是一化学作用.第2页，共24页，2022年，5月20

2、日，2点39分，星期一1977年: 纯化学应用化学学会给催化作用下定义: “催化作用是一种由少量的称作催化剂的外来物质来提高化学反应速度而催化剂本身不被消耗的现象” “催化剂使反应按包括生成中间化合物的一系列基元步骤进行,从而提高了总的反应速率” “催化剂参加反应,并在每个反应循环后再生出来,这样一个单位的催化剂可以转化许多单位的反应物” “催化剂只能催化热力学可能的反应中的一个或几个”第3页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1.2 多相催化作用的基本概念 均相: 催化剂和反应物均相或无相界面 多相: 催化剂和反应物多相或有相界面表1. 相界面 催化剂反应物例 子液气烯烃

3、聚合物(磷酸为催化剂)固液醇 烯烃(Al2O3为催化剂)固气合成氨过程(Fe为催化剂)固液+气硝基苯+H2 苯胺 (Pd为催化剂)第4页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 1.2.1 多相催化的研究对象和特点 多数为固体催化剂 单一物质: 如Al2O3 复杂体系: 如七组分催化剂,非化学计量,起作用的为一特殊结构的中心,如Fe,起作用的为七原子的原子簇 反应在界面上进行 第5页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 多相催化反应机制 七个步骤(气/固反应) 反应物由气相向催化剂外表面扩散 反应物由催化剂外表面向内表面扩散 反应物吸附到催化剂表面 表面反应:

4、处于吸附态的反应物分子进行反应成为吸附态产物 产物由催化剂表面脱附 产物由催化剂内表面向外表面扩散 由外表面向气相扩散第6页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1.3 催化剂和催化作用的基本特性 催化剂是具有物体形式的物质 光、热、电等虽能加速反应,但不是催化剂,因其不具有物体形式 引发剂也不是催化剂,因其被消耗 催化剂作用的基本原理是降低反应活化能第7页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 非催化反应与催化反应的活化能(kJ/mol) 反 应 E非 E催 催化剂 N2+3H2 2NH3 335 160 熔铁 2N2O 2N2 + O2 245 121 Au

5、 2H2O 2H2+O2 244 126 Pt 正己烷裂化 230 75 SiO2/Al2O3 降低幅度 100kJ/mol第8页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 * 催化剂为何能降低活化能？ 催化剂通过改变反应途径降低活化能 中间化合物理论 暂时介入理论 催化过程: A+KAK AK+BAB+K 其中: A,B反应物; AB产物; K催化剂 非催化过程: A+BAB 多相催化过程至少包括三个速率过程: 反应物在催化剂表面的吸附 活化络合物在表面的生成与分解 产物的脱附第9页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一单分子反应过程的位能变化？ 第10页，共24

6、页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 可逆反应中,催化剂加速化学平衡的到达,但不影响平衡的 位置 并不绝对,在一定条件下有此结论 例: 二甲苯在HZSM-5催化剂上异构化第11页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 此时, 催化剂的孔结构起了作用 对二甲苯容易由孔中扩散出去 孔隙内维持一个热力学平衡 但：孔隙外是另一平衡 (90%,2%,8%)第12页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 催化剂具有选择性 亦即催化作用可控制反应的方向。 意义: 具体反应: 抑制负反应 大方面说: 节省资源 品种很少的原料 多种多样产品 例1 由乙烯出发 例2 由乙

7、醇出发第13页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 催化剂表面存在活性中心 活性中心理论 一些现象, 如中毒现象, 表面不均匀等中间化合物理论解释不了, H.S.Taylor活性中心学说: 催化剂表面是不均匀的,不平滑的,具有“山峰”和“山谷”,仅仅位于峰顶、棱角上的原子,才有催化活性,称活性中心, 活性中心上才能进行催化反应.第14页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1.4 催化剂的组分及结构 单组分 多组分: 主催化剂; 助催化剂; 载体载体的作用: 使比表面增大,提供适合的孔结构; 提供催化剂的机械强度; 提高催化剂的热稳定性; 载体和活性组分之间有

8、一定化学作用,形成新的化 合物; 亦可直接提供活性中心助催化剂的作用: 少量的物质能改善催化性能 提高活性; 提高选择性; 延长寿命第15页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一关于结构的描述分三个层次: 微粒的结构: 结晶结构; 表面结构: 原子或离子在表面的分布; 孔结构: 包括5个方面的内容 比表面积 孔径及其分布 孔体积: 单位质量催化剂的总孔隙体积 堆积密度,颗粒密度,骨架密度 密度=质量/体积 体积: 颗粒间的空隙体积 颗粒内部微孔体积 颗粒本身真实骨架体积 孔隙率: 总孔隙体积与总颗粒体积之比第16页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1.5 催

9、化剂的评价1.5.1 催化剂的活性 催化剂加快反应速度的一种量度,实际上相当于催化反应的速度. 表示催化活性的方法: 比活性 比活性=活性/比表面 转化数(turnover number): 单位时间每个活性中心上发生反应的分子数,不涉及速率方程,但活性中心数测定不容易. 第17页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一利用一些比较直观的参数 给定温度下的转化率; 达到某一转化率所要求的温度; 给定温度下的总反应速率; 给定温度下,达到某一转化率所要求的空间速度: 空间速度是一个操作条件, 是指单位时间、单位催化剂(重量或体积)的进料速度, 有体积空速和重量空速两种表示方法.第1

10、8页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1.5.2 催化剂的选择性 对复杂反应有选择性发生催化作用的功能,用来描述在催化剂上两个或多个竞争反应的相对速度. 所选择的方向不一定是自由能降得最低的方向. 第19页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 选择性的表示方法： 主产物的产率 例： 主反应 aA+bB cC+dD 目的产物C的产率 主副反应速率常数之比 Sk1/k2 k1主反应; k2副反应 活性与选择性的综合指标 收率： 已转化为主产物的摩尔数对反应物总摩尔数之百分比. 收率=转化率选择性第20页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一1.

11、5.3 催化剂的失活 在使用过程中丧失活性或选择性的现象. 对简单反应: 在恒定反应条件下,催化反应的转化率随反应时间而降低的现象. 失活速度经验式: k-催化反应速度常数; n-正常数; B-对某一次反应来说是常数,随反应温度及其它条件而变. 在反应网络中,失活引起选择性变化.第21页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一失活的原因: 中毒 反应物中微量杂质吸附到催化剂活性中心上使催化活性降低而至丧失的现象. 毒物 永久中毒: 毒物的吸附非常强,难以脱附. 暂时中毒: 毒物的吸附较弱,而且可逆. 不同类型催化剂和反应的毒物不同 积炭 高分子量化合物在催化剂表面沉积,导致失活. 可通过在空气中煅烧使催化剂再生.第22页，共24页，2022年，5月20日，2点39分，星期一 熔解,重结晶 晶粒受热作用半熔或长大, 导致比表面积减小, 即单位催化剂的活性中心数目减少,从而导致活性下降. 活性组份流失 升华, 例如: WO3-MoO3催化剂,高压加氢反应中, MoO3升华.第