第一章催化剂与催化作用基本知识2014-2-15要点.ppt

1 第一章 催化剂与催化作用基本知识 1.1 催化作用的特征 1.2 催化反应和催化剂的分类 1.3 固体催化剂的组成与结构 1.4 催化剂的反应性能及对工业催化剂的要求 1.5 多相催化反应体系的分析 1.1 催化作用的特征 催化剂和催化作用的定义 催化作用不能改变化学平衡 催化作用通过改变反应历程而改变反应速度 催化剂对加速化学反应具有选择性 催化剂—— 德国化学家W.Ostwald (1853-1932)：催化剂是一种可以改变一个化学反应速度，而不存在于产物中的物质 现代对催化剂的定义：催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度，却不改变化学反应热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质 催化作用—— 催化剂对化学反应所产生的效应 1.1.1 催化剂和催化作用的定义 对于一个可逆化学反应，反应进行到什么程度，即它的化学平衡位置是由热力学所决定的。 1.1.2 催化作用不能改变化学平衡 ?G? = -RT lnKp ?G? —产物与反应物的标准自由能之差 Kp—化学平衡常数 ?G?是状态函数，它决定于过程的始态和终态，而与过程无关。 ?G?催 = ?G?非催 ? 催化作用只能加速一个热力学上允许的化学反应达到化学平衡状态 例：在不同催化剂存在下三聚乙醛解聚的平衡浓度 催化剂 催化剂在反应体系中含量 达到平衡时的体积增量 SO2 0.02 8.19 SO2 0.063 8.34 SO2 0.079 8.20 ZnSO4 2.7 8.13 HCl 0.15 8.15 草酸 0.52 8.27 磷酸 0.54 8.10 平均 8.19 判定某个反应是否需要采用催化剂？ 了解这个反应在热力学上是否允许 如果是可逆反应，要了解反应进行的方向和深度，确定反应平衡常数的数值以及它与外界条件的关系 ? 只有热力学允许，平衡常数较大的反应加入适当催化剂才是有意义的 催化剂加速化学反应是通过改变化学反应历程，降低反应活化能得以实现的 少数反应通过改变指前因子加速化学反应 1.1.3 催化作用通过改变反应历程而改变反应速度 合成氨过程非催化反应和催化反应的能垒变化示意图 r催/r非催= ~1060 1.1.4 催化剂对加速化学反应具有选择性 催化剂并不是对热力学上允许的所有化学反应都能起催化作用，而是特别有效地加速平行反应或串联反应中的某一个反应，这种特定催化剂只能催化加速特定反应的性能，称为催化剂的选择性 例2：以合成气(CO+H2)为原料在热力学上可以沿着几个途径进行反应，但由于使用不同催化剂进行反应，就会得到不同产物。 反应物 催化剂及反应条件 产物 CO+H2 Rh/Pt/SiO2，573K，7×106 Pa 乙醇 Cu-Zn-O，Zn-Cr-O，573K， 1.0133×107 ～2.0266×107 Pa 甲醇 Rh络合物，473～563K， 5.0665×107～3.0399×108 Pa 乙二醇 Cu，Zn，493K，3×106 Pa 二甲醚 Ni，473～573K，1.0133×105 Pa 甲烷 Co，Ni，473K，1.0133×105 Pa 合成汽油 表1-2 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作用 催化剂为什么能促使某一反应向特定产物方向进行? 催化剂在多个可能同时进行的反应中，使生成特定产物的反应活化能降低程度远远大于其他反应活化能的变化，使反应容易向生成特定产物的方向进行。 例：甲醇氧化反应 甲醇氧化反应的不同能垒变化示意图 Ag 热反应 催化反应 甲醇部分氧化： 甲醇完全氧化： 热反应：Ec Eb Ag催化反应： Ea Ed ? 反应以生成甲醛为主 主要原因是由于催化剂可以显著降低主反应的活化能，而副反应活化能的降低则不明显 有些反应由于催化剂孔隙结构和颗粒大小不同也会引起扩散控制，导致选择性的变化 影响催化剂选择性的原因? 1.2 催化反应和催化剂的分类 按催化反应系统物相的均一性进行分类 按反应类型进行分类 按反应机理进行分类 1.2.1 催化反应分类 按催化反应系统物相的均一性进行分类 均相催化反应： 气相均相催化反应 ? 液相均相催化反应 非均相（多相）催化反应： 气固相催化反应 ? 液固相催化反应 酶催化反应： 催化剂酶本身是一种胶体，可以均匀地分散在水溶液中，对液相反应物而言可认为是均相催化反应。但是在反应时反应物却需在酶催化剂表面上进行积聚，由此而言可认为是非均相催化反应。因此，酶催化反应同时具有均相和非均相反应的性质。 按反应类型进行分类 ——根据催化反应所进行的化学反应类型分类