第二章催化劑與催化作用

1、第一章第一章 催化作用與催化劑催化作用與催化劑1.1 1.1 催化作用的定義與特征催化作用的定義與特征1.2 1.2 催化反應(yīng)和催化劑的分類催化反應(yīng)和催化劑的分類1.3 1.3 固體催化劑的組成與結(jié)構(gòu)固體催化劑的組成與結(jié)構(gòu)1.4 1.4 對(duì)工業(yè)催化劑的要求對(duì)工業(yè)催化劑的要求1.1.1催化劑和催化作用的定義催化劑和催化作用的定義催化劑：一種能夠與反應(yīng)物相互作用，催化劑：一種能夠與反應(yīng)物相互作用，加速反加速反應(yīng)的速率而不改變反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由焓變應(yīng)的速率而不改變反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由焓變, ,且反應(yīng)終結(jié)時(shí)且反應(yīng)終結(jié)時(shí)本身保持不變本身保持不變的化學(xué)物質(zhì)。的化學(xué)物質(zhì)。催化作用：指催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生

2、的效應(yīng)。催化作用：指催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的效應(yīng)。催化劑加速化學(xué)反應(yīng)的實(shí)例：催化劑加速化學(xué)反應(yīng)的實(shí)例：2so2so2 2o o2 2=2so=2so3 3 ( v ( v2 2o o5 5) )n n2 23h3h2 2=2nh=2nh3 3 (fe (fe催化劑）催化劑）1.1.2催化劑的特征催化劑的特征: 1.1.催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進(jìn)行的反應(yīng)，催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進(jìn)行的反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)無(wú)法進(jìn)行的反應(yīng)。而不能加速熱力學(xué)無(wú)法進(jìn)行的反應(yīng)。2. 2. 催化劑只能加速反應(yīng)趨于平衡，不能改催化劑只能加速反應(yīng)趨于平衡，不能改變平衡位置。變平衡位置。化學(xué)平衡是由熱力學(xué)決定的：化學(xué)平衡是

3、由熱力學(xué)決定的：g - rt1nkp舉例：舉例：乙苯脫氫制苯乙烯，在乙苯脫氫制苯乙烯，在600600常壓、乙苯與水常壓、乙苯與水蒸汽摩爾比為蒸汽摩爾比為1 1：9 9時(shí)，按平衡常數(shù)計(jì)算，達(dá)到時(shí)，按平衡常數(shù)計(jì)算，達(dá)到平衡后苯乙烯的最大產(chǎn)率為平衡后苯乙烯的最大產(chǎn)率為72728 8問(wèn)題問(wèn)題1 1：實(shí)際工業(yè)上催化正反應(yīng)、逆反應(yīng)時(shí)為：實(shí)際工業(yè)上催化正反應(yīng)、逆反應(yīng)時(shí)為什么往往選用不同的催化劑？什么往往選用不同的催化劑？一、對(duì)某一催化反應(yīng)進(jìn)行正反應(yīng)和進(jìn)行逆反應(yīng)的一、對(duì)某一催化反應(yīng)進(jìn)行正反應(yīng)和進(jìn)行逆反應(yīng)的操作條件（溫度、壓力、進(jìn)料組成）往往會(huì)有很操作條件（溫度、壓力、進(jìn)料組成）往往會(huì)有很大差別，這對(duì)催化劑可能

4、會(huì)產(chǎn)生一些影響。大差別，這對(duì)催化劑可能會(huì)產(chǎn)生一些影響。二、對(duì)正反應(yīng)或逆反應(yīng)在進(jìn)行中所引起的副反二、對(duì)正反應(yīng)或逆反應(yīng)在進(jìn)行中所引起的副反應(yīng)也是值得注意的，因?yàn)檫@些副反應(yīng)會(huì)引起催應(yīng)也是值得注意的，因?yàn)檫@些副反應(yīng)會(huì)引起催化劑性能變化?；瘎┬阅茏兓?。催化作用改變反應(yīng)歷程而改變反應(yīng)速度催化作用改變反應(yīng)歷程而改變反應(yīng)速度反應(yīng)難以進(jìn)行使合成氨實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)催化劑改變反應(yīng)歷程意味著催化劑改變反應(yīng)歷程意味著1 1、催化劑參與反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)、催化劑參與反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)2 2、通過(guò)反應(yīng)歷程改變使化學(xué)反應(yīng)的所需克服的能壘、通過(guò)反應(yīng)歷程改變使化學(xué)反應(yīng)的所需克服的能壘數(shù)值大大減少。數(shù)值大大減少。結(jié)果：結(jié)果： 催化

5、反應(yīng)相對(duì)常規(guī)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件溫和得催化反應(yīng)相對(duì)常規(guī)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件溫和得多，甚至常規(guī)條件下難以發(fā)生的反應(yīng)，在催化劑多，甚至常規(guī)條件下難以發(fā)生的反應(yīng)，在催化劑參與下實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。參與下實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。問(wèn)題問(wèn)題2：請(qǐng)同學(xué)們舉二個(gè)以上的實(shí)例？：請(qǐng)同學(xué)們舉二個(gè)以上的實(shí)例？3.3.催化劑對(duì)加速化學(xué)反應(yīng)具有選擇性催化劑對(duì)加速化學(xué)反應(yīng)具有選擇性 催化劑對(duì)可能進(jìn)行的特定反應(yīng)的選擇催化作用催化劑對(duì)可能進(jìn)行的特定反應(yīng)的選擇催化作用反應(yīng)物反應(yīng)物 催化劑及反應(yīng)條件催化劑及反應(yīng)條件 產(chǎn)物產(chǎn)物co+h2rh/pt/sio2，573k，7105pa 乙醇乙醇cu-zn-o,zn-cr-o,573k, 1.0133

6、107 2.0266107pa 甲醇甲醇rh絡(luò)合物絡(luò)合物,473573k, 5.0665107 3.0399108pa 乙二醇乙二醇cu,zn,493k, 3106pa 二甲醚二甲醚ni, 473573k, 1.0133105pa 甲烷甲烷co,ni, 473k, 1.0133105pa合合成汽油成汽油熱反應(yīng)時(shí)生成熱反應(yīng)時(shí)生成coco2 2比生比生成甲醛的能壘小很多成甲醛的能壘小很多甲醇氧化反應(yīng)的不同能壘變化示意圖催化反應(yīng)時(shí)，生成催化反應(yīng)時(shí)，生成coco和和coco2 2的能壘明顯高于生的能壘明顯高于生成甲醛的能壘成甲醛的能壘反應(yīng)產(chǎn)物具有選擇性的主要原因反應(yīng)產(chǎn)物具有選擇性的主要原因是由于催化劑

7、可以顯著降低主反是由于催化劑可以顯著降低主反應(yīng)的活化能，而副反應(yīng)活化能的應(yīng)的活化能，而副反應(yīng)活化能的降低則不明顯降低則不明顯ch3oh+o2=co2+2h2och3oh+o2=hcho+2h2o催化劑選擇性理解：催化劑選擇性理解：1 1、不同催化劑對(duì)特定的反應(yīng)體系有選擇性、不同催化劑對(duì)特定的反應(yīng)體系有選擇性（機(jī)理選擇性）（機(jī)理選擇性） 2 2、催化劑因催化劑結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致選擇性、催化劑因催化劑結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致選擇性 （擴(kuò)散選擇性）（擴(kuò)散選擇性）問(wèn)題3：催化劑的選擇性在工業(yè)上有何意義？4. 催化劑的壽命催化劑的壽命1.2 1.2 催化反應(yīng)及催化劑的分類催化反應(yīng)及催化劑的分類酶催化反應(yīng)同時(shí)酶催化反應(yīng)同時(shí)

8、具有均相和非均具有均相和非均相反應(yīng)的性質(zhì)。相反應(yīng)的性質(zhì)。非均相催化反應(yīng)是非均相催化反應(yīng)是指反應(yīng)物和催化劑指反應(yīng)物和催化劑居于不同相態(tài)的反居于不同相態(tài)的反應(yīng)。應(yīng)。均相催化反應(yīng)是指均相催化反應(yīng)是指反應(yīng)物和催化劑居反應(yīng)物和催化劑居于同一相態(tài)中的反于同一相態(tài)中的反應(yīng)。應(yīng)。按催化反應(yīng)系統(tǒng)物相的均一性進(jìn)行分類按催化反應(yīng)系統(tǒng)物相的均一性進(jìn)行分類按反應(yīng)類型進(jìn)行分類按反應(yīng)類型進(jìn)行分類反應(yīng)類型反應(yīng)類型常用催化劑常用催化劑加氫加氫ni,pt,pd,cu,nio,mos2,ws2,co(cn)63-脫氫脫氫cr2o3,fe2o3,zno,ni,pd,pt氧化氧化v2o3,moo3,cuo,co3o4,ag,pd,pt

9、,pdcl2羰基化羰基化co2(co)8,ni(co)4,fe(co)3,pdcl(pph3)3*,rhcl2(co)pph3聚合聚合cro3,moo2,ticl4-al(c2h5)3鹵化鹵化alcl3,fecl3,cucl2,hgcl2裂解裂解sio2-al2o3,sio2-mgo,沸石分子篩，活性白土沸石分子篩，活性白土水合水合h2so4,h3po4,hgso4,分子篩，離子交換樹脂分子篩，離子交換樹脂按反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分類按反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分類酸堿型催化反應(yīng)酸堿型催化反應(yīng) 酸堿型催化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)酸堿型催化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理可認(rèn)為是催化劑與反應(yīng)物分理可認(rèn)為是催化劑與反應(yīng)物分子之間通過(guò)電子對(duì)的授受而配子

10、之間通過(guò)電子對(duì)的授受而配位，或者發(fā)生強(qiáng)烈極化，形成位，或者發(fā)生強(qiáng)烈極化，形成離子型活性中間物種進(jìn)行的催離子型活性中間物種進(jìn)行的催化反應(yīng)?；磻?yīng)。氧化還原型催化反應(yīng)氧化還原型催化反應(yīng) 氧化還原型催化反應(yīng)機(jī)理可氧化還原型催化反應(yīng)機(jī)理可認(rèn)為是催化劑與反應(yīng)物分子間認(rèn)為是催化劑與反應(yīng)物分子間通過(guò)單個(gè)電子轉(zhuǎn)移，形成活性通過(guò)單個(gè)電子轉(zhuǎn)移，形成活性中間物種進(jìn)行催化反應(yīng)。中間物種進(jìn)行催化反應(yīng)。 酸堿型及氧化還原型催化反應(yīng)比較酸堿型及氧化還原型催化反應(yīng)比較比較項(xiàng)目比較項(xiàng)目酸堿型催化反應(yīng)酸堿型催化反應(yīng)氧化還原型催化反應(yīng)氧化還原型催化反應(yīng)催化劑與反應(yīng)物之催化劑與反應(yīng)物之間作用間作用電子對(duì)的接受或電荷密度電子對(duì)的接受或電荷密度的分布發(fā)生變化的分布發(fā)生變化單個(gè)電子轉(zhuǎn)移單個(gè)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)物化學(xué)變化反應(yīng)物化學(xué)變化非均裂或極化非均裂或極化均裂均裂生成活性中間物種生成活性中間物種自旋飽和的物種（離子型自旋飽和的物種（離子型物種）物種）自旋不飽和的物種（自自旋不飽和的物種（自由基型物種）由基型物種）催化劑催化劑自旋飽和分子或固體物質(zhì)自旋飽和分子或固體物質(zhì)自旋不飽和分子或固體自旋不飽和分子或固體物