催化作用原理

关于催化作用原理第一页，共二十一页，编辑于2023年，星期日第一章 绪论一、催化剂与催化作用生物化学过程，酶发酵方法酿酒、制醋记载有“催化现象”的资料，却只可以追溯到1597年由德国炼金术士A.Libavius（1540―1616）著的“Alchymia”一书第二页，共二十一页，编辑于2023年，星期日“催化作用”作为一个化学概念，则直至1836年才由瑞典化学家J.J.Berzelius（1779―1848）在其著名的“二元学说”基础上提出来，认为具有催化作用的物质，除和一般元素和化合物一样，由电性相异（正、负）的两部分组成（二元）之外，还具有一种所谓的催化力。在这之后，催化研究得到了广泛开展。第三页，共二十一页，编辑于2023年，星期日1894年，德国化学家W.Ostwald（1853―1932）认为催化剂是一种可以改变一个化学反应速度，而又不存在于产物中的物质并於1902年定义催化作用为“加速反应而不影响化学平衡的作用”。近百年来，关于“催化剂及催化作用”有种种不同的文字表述，例如，长期以来，文献中多使用如下定义：“催化剂是一种能够改变化学反应的速度，而它本身又不参与最终产物的物质。催化剂的这种作用，叫做催化作用。”第四页，共二十一页，编辑于2023年，星期日1976年IUPAC（国际理论及应用化学协会）公布的催化作用的定义是：“催化作用是一种化学作用，是靠用量极少而本身不被消耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速化学反应的现象”。并解释说，催化剂能使反应按新的途径、通过一系列基元步骤进行，催化剂是其中第一步的反应物、最后一步的产物，亦即催化剂参与了反应，但经过一次化学循环后又恢复到原来的组成。第五页，共二十一页，编辑于2023年，星期日1981年IUPAC又提出定义：催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。近来在国内文献中，又出现如下的定义：“催化是加速反应速度、控制反应方向或产物构成，而不影响化学平衡的一类作用。起这种作用的物质称为催化剂。”这里不再说“催化剂”是“用量极少”的了。第六页，共二十一页，编辑于2023年，星期日由上述可知，随着实践的发展，人们对催化剂及催化作用的认识是不断深入的。事实上，目前的工业催化剂是指一种化学品或生物物质或多种这些物质组成的复杂体系。如酶、配合物（络合物），一种气体分子、金属、金属氧化物、金属硫化物、复合氧化物等固体表面上的若干分子、原子、原子簇等等。它们在反应中所起的作用是化学方面的。第七页，共二十一页，编辑于2023年，星期日光、电子、热及磁场等物理因素，虽有时也能引发并加速化学反应，但所起的作用一般也都不能称为催化作用（特殊的可称为电催化或光催化作用等，有专门研究）引发剂与催化剂也有区别，它虽可引发和加速高分子的键反应，但在聚合反应中本身也被消耗，并最终进入了聚合产物的组成中。阻聚剂，而不适于叫负催化剂。水和其他溶剂，溶剂效应——物理作用。第八页，共二十一页，编辑于2023年，星期日二、催化科学与技术的重要性1.催化技术的进展对石油、化学工业的变革起着决定性的作用。1923年，BASF公司以ZnO-Cr2O3为催化剂开发成功高压法由合成气生产甲醇的工艺1970年代，ICI公司开发成功以Cu-ZnO-Al2O3(Cr2O3)为催化剂的低压法合成气生产甲醇的新工艺，很快又开发出中压法工艺，使甲醇生产有很大提高。第九页，共二十一页，编辑于2023年，星期日1960年Sohio开发成功磷钼铋氧系催化剂，由丙烯氨氧化生产丙烯腈时，原有的三种丙烯腈生产方法（环氧乙烷法、乙醛法、乙炔法）都变得不再有生命力了，并且随着磷钼铋氧系丙烯氨氧化生产丙烯腈催化剂的不断改进及非磷系丙烯氨氧化生产丙烯腈催化剂的成功开发，使该法日益成熟。第十页，共二十一页，编辑于2023年，星期日2.能源化工和环境化工的兴起，为工业催化提出了新课题和新和活动领域。能源化工：目前能转化成燃料的碳源有以下三类：原油及相关物质；煤炭；生物质。它们的充分开发和利用有赖于催化剂。自然界还存在有大量油砂和油页岩物质，因其粘度高、挥发物含量低，硫、氮和各种重金属含量高，用现有的加工工艺无法廉价地提取。预计催化技术在将这类碳源转化为液体燃料方面，必能发挥巨大作用。第十一页，共二十一页，编辑于2023年，星期日环境保护：造成大气污染的三个主要领域，都可通过催化技术加以控制：（1）对于污染大气的可燃性气体，采用催化燃烧技术；（2）对于工业装置排放的NOX气体，可将其催化还原为氮气；（3）对于各种车辆用燃料排放气的控制，目前虽已提出很多种方法，如改用清洁燃料，重新设计发动机等，采用催化燃烧技术也能达到控制目的。第十二页，共二十一页，编辑于2023年，星期日3.生物体内广泛存在的酶，是生物赖以生存的一切化学反应的催化剂。酶的催化作用至今还难在生物体外实现：效率高，选择性好，反应条件温和。弄清楚这个自然界的催化过程，不仅有利于了解自然奥秘，而且将大大提高人类利用自然、改造自然的本领。若能将固氮酶或别的模拟酶取代现在的合成氨催化剂，将不知道使现合成氨工艺简单多少。故今天对酶本身及对酶化学模拟的研究已成为催化研究中一个非常有吸引力的领域。第十三页，共二十一页，编辑于2023年，星期日时至今日，一个实际可用的催化剂的开发，依然被认为是一种“技艺”，尚无完善的科学原理可循。要解决科学地选择催化剂的问题，需要弄清许多基本问题。如催化活性中心是怎样形成的？它在反应过程中如何中变化？等等。这类问题至今尚无明确答案，因此催化理论也是当代科学中被广泛重视的课题。第十四页，共二十一页，编辑于2023年，星期日三、催化理论发展1925年，泰勒，活性中心理论，并不是催化剂的全部表面都有活性，而只有某些部位，如催化剂晶体的边、角、晶面结构中的缺陷等才具有活性。1929年，巴兰金，几何对应原理：催化剂晶体的结晶格子是催化活性中心，结晶格子的结构和几何尺寸与反应分子的几何尺寸必须相对应才能发生催化现象。第十五页，共二十一页，编辑于2023年，星期日1955年，巴兰金，能量对应原理，反应分子与催化剂还必须有结合的能量条件。上述两方面总括为Fasarcgurl的多位理论，活性中心理论的一个发展。1939年，柯巴捷夫，活性集团理论，催化剂的活性中心是由催化剂表面上未形成结晶的几个原子形成的。鲍列斯柯夫等一直认为：固体的催化性质主要决定于它的化学组成，而与其制备方法无关。第十六页，共二十一页，编辑于2023年，星期日1960年以来，豪费，道顿等人，倡导催化作用的电子理论，将固体的催化性质与其电子结构联系起来，如将金属的d-电子特征、固体的电导率、电子逸出功与催化性质联系起来。1975年以来，一些物理学工作者相继提出了各种新的理论观点，都有待于进一步的发展和实验验证。近来，催化工作者在配合物化学和金属有机化学的现代成就之上探讨催化剂活性中心和催化反应机理，提出多相催化的“表面分子模型”（已为人们所接受）。第十七页，共二十一页，编辑于2023年，星期日总之，催化理论的发展还落后于它的工业实践，尚没有普遍性的催化理论。要找到一种能在工业上应用的新的催化剂，主要靠实践经验和局部理论规律。催化这门科学，无论实践上，还是理论上，都有很丰富的研究内容且正处于不断发展之中。第十八页，共二十一页，编辑于2023年，星期日四、催化作用原理的主要内容有人认为：催化作用这门科学是物理化学中化学动力学的一个分支。均匀催化：酸、碱催化作用；络合催化作用。非均匀催化：固体酸、碱；分子筛；金