《工业催化基础》课件（第2章 催化剂与催化作用的基础知识）2014-2.pptVIP

第二章：催化剂与催化作用的基础知识 主要内容： 催化剂的特征；催化剂和催化反应类型；固体催化剂的组成和结构。 掌握催化剂的基本特征；理解催化反应和催化剂类型；掌握固体催化剂的组成和基本结构。 化工资源有效利用国家重点实验室 * 催化剂定义 1981年，国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）对催化剂有一个明确的定义。即：催化剂是一种物质，它能够改变化学反应的速率，而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化；此过程称为催化作用，涉及催化剂的反应称为催化反应。 化工资源有效利用国家重点实验室 * 第一节 催化剂的特征 催化剂的基本特征 1、催化剂只能实现热力学可行的反应，不能实现热力学不可能的反应； 2、催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变化学平衡的位置； 3、催化剂对反应具有选择性； 4、催化剂具有一定的寿命。 化工资源有效利用国家重点实验室 * 第一节 催化剂的特征 1、催化剂只能实现热力学可行的反应，不能实现热力学不可能的反应。 热力学给出我们判断某一反应能否进行的方法，即反应的自由焓ΔG0，反应条件下的自由焓有下列公式计算： 根据上述公式可得到反应自由焓。 并且通过公式： 计算平衡常数 Kp，从而得到反应的平衡转化率和产率。 化工资源有效利用国家重点实验室 * 第一节 催化剂的特征 2、催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变化学平衡的位置 催化剂能够改变反应途径，降低反应的活化能，加快反应的速率，这是一切催化剂的共性。催化剂只能缩短反应趋于平衡的时间，而不能改变热力学平衡的位置（平衡常数）。 在一定外界条件下，某化学反应产物的最高平衡浓度是受热力学变量所控制的，也就是说催化剂只能改变达到这一极限值所需的时间，而不能改变这一极限值的大小。 根据热力学第二定律，任何一个非平衡体系可以自发地趋于平衡状态，其间反应放出的能量在热力学上称为反应的自由能变化，当反应达到平衡即自由能等于零。反应的自由能与反应物和产物所处的能级相关，而与催化剂无关，进一步说，反应物和产物间的能级差一定则反应平衡常数一定，催化剂不会改变反应平衡。 催化剂不会改变化学平衡，对于任一可逆反应，催化剂既能加速正反应，也能同样程度地加速逆反应，只有这样才能维持平衡常数不变。 第一节 催化剂的特征 3、催化剂对反应具有选择性 催化剂具有选择性包合两个含义：其一是不同的反应，应该选择不同的催化剂；其二是同样的反应选择不同的催化剂，可获得不同的产物。例如，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，就得到下表给出的不同产物。 反应物 催化剂及反应条件 产物 CO+H2 Rh/Pt/SiO2，573K，7 MPa 乙醇 Cu-Zn-O，523K，5～10MPa 或Zn-Cr-O，623K，10～20MPa 甲醇 Rh络合物，473～563K，5～30MPa 乙二醇 Cu-Zn-O/Al2O3，553K，2~5MPa 二甲醚 Ni，573～625K，0.1~1MPa 甲烷 Co，Fe，473~523K，2MPa 合成汽油和柴油 不同催化剂之所以能促使某一反应向特定产物方向进行，是因为这种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它反应活化能的变化，使反应容易向生成特定产物的方向进行。 化工资源有效利用国家重点实验室 * 第一节 催化剂的特征 4、催化剂具有一定的寿命 通常的催化剂用量都大大少于反应物，而且在反应前后，催化剂的化学组成等不会发生显著变化。虽然催化剂不出现在最终的产物中，但是催化剂在反应前后的物理状态（如颗粒大小、结构等）有可能变化。 由于催化剂参加了反应的全过程，从反应物在催化剂表面上吸附到产物从催化剂表面上脱附，因此催化剂表面上发生的每一个过程都会影响其表面的物理化学结构，乃至催化剂的体相结构，最终导致催化剂的活性位丧失和化学结构的破坏，导致催化剂失活。 大多数催化剂对于杂质十分敏感，有的杂质可以使其催化作用大大加强（助催化剂），有的却能使其大大减弱（毒物），使得有效活性位减少，同样导致催化剂失活。还有，