催化作用的定义与特征
催化原理
1. 什么是催化剂什么是催化作用催化作用的特征有哪些工业生产中可逆反应为什么往往选择不同的催化剂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。
催化剂是一种可以改变一个化学反应速度的物质。
催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。
催化作用具有如下几个特征：1、催化剂只能加速热力学上可以进行的反应2、催化剂只能加速化学反应趋于平衡，而不能改变平衡的位置（平衡常数）3、催化剂对反应具有选择性4、催化剂的使用寿命有限实际工业上催化正、逆反应时为什么往往选用不同的催化剂第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别，这对催化剂可能会产生一些影响。
二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变化。
催化剂是如何加快化学反应速度的催化作用是通过加入催化剂，实现低活化能的化学反应途径，从而加速化学反应。
（催化剂通过改变反应历程，使化学反应所需克服的能垒数值大大减少。
结果：催化反应相对常规化学反应发生的条件温和得多，甚至常规条件下难以发生的反应，在催化剂参与下实现了工业化生产。
）3. 催化剂的活性、选择性的含义是什么活性是指催化剂对反应进程影响的程度，具体是指反应速率增加的程度，催化剂的活性是判断其性能好坏的重要标志。
当反应物在一定的反应条件下可以按照热力学上几个可能的方向进行反应时，使用特定的催化剂就可以对其中一个方向产生强烈的加速作用。
这种专门对某一化学反应起加速作用的能力称为催化剂的选择性选择性是指催化反应所消耗的原料中转化成目的产物的分率。
5. 催化剂为什么具有寿命影响催化剂的寿命的因素有哪些寿命指在工业条件下，催化剂的活性能够达到装置生产能力和原料消耗定额的允许使用时间；或满足上述条件经再生使用的累计时间，称为总寿命。
指催化剂的有效使用期限，是催化剂的重要性质之一。
1. 催化剂与催化作用基本知识
规定转化率所需的温度和空速表示法
用完成给定的转化率（如XA=80%）所需 要的温度来表示，温度越低活性越高。
压力、原料气浓度和停留时间等条件都必须 相同
用完成给定的转化率（如XA=80%）所需 要的空速表示，空速越高活性越好。
反应温度、压力、原料气浓度都必须相同。
单程转化率
有些反应因受热力学平衡限制，平衡转 化率不高，为了充分利用原料，需将反 应产物分离，然后补充新鲜原料再循环 使用。 对一次通过催化剂的转化率称为单程转 化率。
转换频率是指每个催化中心上单位时间内产生 的给定产物的分子数（TOF)。 催化剂在更换前每个催化活性中心上的催化循 环周转超过十亿（109)次。
催化剂是如何加速反应速率的？
N2+3H2=2NH3
无催化剂存在时，在500oC、常压条件下，反应活化能 高，~334 kJ/mol 。此条件下反应速度极慢，竞不能觉察出 氨的生成。
催化反应速率表示法
反应速率表示反应快慢，一般有三种表 示方法。
以催化剂重量为基淮 以催化剂体积为基准 以催化剂表面积为基准
在催化反应动力学的研究中，活性多用 反应速率来表达。
反应速率表示方法
A→B
以V、S和W分别代表催化剂的体积、表面积和重量
（1）rv=（1／V）·(dNA／dt)=(1／V)·(dNB／ dt) [mol·cm-3·h-1] （2）rs= (1/s)·(dNA/dt) =(1/s)·(dNB/dt) [mol·cm-2·h-1] （3）rw= (1/w)·(dNA/dt) =(1/w)·(dNB/dt)
时空产率表示法
工业催化原理,第1章 催化剂与催化作用基本知识
问题3：催化剂的选择性在工业上有何意义？
1 2 3 4 5
催化作用的特征 催化反应和催化剂的分类 固体催化剂的组成与结构 催化剂的反应性性能及对工业催 化剂的要求 多相催化反应体系的分析
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
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
CO+H2
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
Ni, 473～573K, 1.0133×105Pa Co,Ni, 473K, 1.0133×105Pa
甲烷 和成汽油
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
热反应时生成CO2比生 成甲醛的能垒小很多
聚合
卤化 裂解
CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3
AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2 SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土
水合
H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂
烷基化，异构化 H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛
问题2：请同学们举二个以上的实例？
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
表1-2 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作 用
反应物 催化剂及反应条件 Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa
Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
产物 乙醇 甲醇 乙二醇 二甲醚
催化作用的四个特征
催化作用的四个特征嘿，咱今天就来说说催化作用的那四个超有意思的特征哈！你想想，催化作用就像是一场神奇的魔法，能让化学反应变得不一样嘞！它第一个特征呀，就是能加快反应速率。
这就好比是一辆慢吞吞的老牛车突然变成了飞速的跑车，“嗖”地一下就冲出去了。
原本可能要等好久好久的反应，在催化剂的帮助下，一下子就变得迅速起来，这多厉害呀！你说要是没有催化作用，那得浪费多少时间呀，咱可等不起哟！然后呢，催化剂在反应前后自身的化学性质和质量都不变。
这就像一个超级可靠的朋友，帮你解决了大问题，自己却一点儿都没变。
它参与了整个过程，却能全身而退，依旧保持着原来的模样。
是不是很神奇呀？这可不是一般东西能做到的哟！就像你有个好朋友，一直陪着你经历各种事情，但他还是那个他，一点儿都没被改变，多难得呀！再来说说第三个特征，催化剂具有选择性。
哎呀呀，这可太有意思啦！它就像是一个挑食的小孩，只对某些反应情有独钟。
不是所有的反应它都愿意去催化，它有自己的喜好呢！有的反应它积极参与，而有的反应它就冷眼旁观。
这多像我们人呀，对不同的事情有不同的态度和选择。
有的事情我们特别热心，而有的事情我们就不怎么感兴趣。
最后一个特征呢，催化剂可以改变化学反应的途径。
这就像是走迷宫，原本你可能要绕好多好多弯才能找到出口，但是有了催化剂这个小机灵鬼呀，它给你指了一条捷径！让你能更快地达到目的。
你说这多好呀，能节省多少力气呀！总之呢，催化作用的这四个特征真的是太重要啦！它们让化学反应变得更加高效、神奇和有趣。
没有催化作用，很多化学反应可能都没法进行得那么顺利呢！所以呀，我们可得好好珍惜这个神奇的现象，好好利用它为我们的生活和科学研究服务呢！你说是不是呀？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
催化剂基础详解
第一章 绪论
1.1.1催化作用的意义
合成氨
• N2+3H2→3NH3 • 催化剂：Fe-Al2O3-K2O • 每吨催化剂可产2万吨氨
• N2来源：空气分离 • H2来源: 烃类水蒸气转化法。 • 工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、
变换、甲烷化、氨合成。需用八种不同
催化剂
第一章 绪论
1.1.1催化作用的意义
氧化还原型反应：催化剂与反应物通过单个电 子转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。
催化剂的分类
按催化剂的元素及化合态分类 金属、金属氧(硫)化物、金属有机化合物 按催化剂的导电性及化学形态 导体、半导体、绝缘体 按行业类别分类 石油炼制工业、化肥工业、环境保护等
催化剂的反应性能
物进料总量的百分比 产率＝转化率×选择性
催化剂的稳定性
使用寿命：指催化剂在一定反应条件下 维持一定反应活性和选择 性的使用时间。
a
催
化b
稳定期
衰
剂
老
活成
期
性
熟 期
催化剂的稳定性
化学稳定性 耐热稳定性 抗毒稳定性 机械稳定性
对工业催化剂的要求
适宜的活性 高选择性
活性和选择性的取舍 长寿命
石油
第一章 绪论
煤
1.1.1催化作用的意义
第一章 绪论
天然气
1.1.1催化作用的意义
催化剂的定义与特征
催化剂的定义
能改变化学反应的速度 不改变化学反应的热力学平衡位置 本身在化学反应中不被明显地消耗
催化剂的特征 只能改变热力学上可进行的化学反应
只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的 位置。
催化作用的基本特征
催化作用的基本特征
催化作用是一种化学反应中常见的现象。
它是指在反应中加入一个催化剂，从而促进反应速率的增加，同时不参与反应本身。
催化作用有许多基本特征，包括以下几点：
1. 催化剂能够降低反应的活化能，从而提高反应速率。
2. 催化剂不改变反应的热力学性质，即不改变反应的产品和反应物的化学性质。
3. 催化剂可以被反应物吸附，形成反应物-催化剂复合物，从而加速反应。
4. 催化剂与反应物之间的作用是一个动态的过程，催化剂与反应物之间的相互作用会随着反应的进行而不断变化。
5. 催化剂的选择性很高，可以选择性地促进某些反应而不影响其他反应。
6. 催化剂通常是可以循环使用的，即在反应结束后可以被回收并继续使用。
7. 催化剂的活性往往与其表面结构有关，因此催化剂的设计和制备需要考虑其表面结构的特点。
总之，催化作用是一种极为重要的化学现象，它不仅可以促进反应速率，还可以提高反应选择性和效率，因此在化学工业和环境保护等领域具有广泛的应用和研究价值。
- 1 -。
催化作用与催化剂
活化能(Ea)
• 过渡状态理论 ： 每个反应体系
的正向反应和逆向反 应总是沿着一条相同 的反应途径以相反方 向进行，中间经过相 同的过渡状态。
在利用化学反应进行工业生产时，往 往需要解决提高反应速率问题。
提高反应速率可以通过: 提高反应温度（T）和 降低反应活化能（Ea）
两个途径来实现。
提高反应速率通常不能单靠 提高反应温度来解决
1901年德国物理化学家W.Ostwald提出催化剂定义:“催化剂是可 以改变化学反应的速度，但最后不出现在生成物中的物质”
1903年法国科学家P.Sabatier提出:“催化剂能引发化学反应或加 速化学反应，但本身不发生变化。
1981年IUPAC提出的定义:“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，涉及催化剂的反应称为催化反应。”
催化作用的特征（3）
-催化剂对反应具有选择性
• 催化剂对反应具有选择性
– 根据热力学计算，某一反应可能生成不只一 种产物时，应用催化剂可加速某一目的产物 的反应，即称为催化剂对该反应的选择性。
– 工业上利用催化剂具有选择性，使原料转化 为所需要的产品。
– 例如，以合成气(CO＋H2)为原料，使用不同 的催化剂则沿不同的途径进行反应。
①对于正向反应为放热的反应，逆向反应 的活化能大于正向反应的活化能，提高 反应温度更有利于逆向反应速率的提高， 可能使正向反应达到的程度受到不利的 化学平衡位置所限制；
②对于具有几个可能反应方向的反 应体系，提高反应温度可同时加快 主反应和副反应的速率，有的副反 应速率可能加快得更显著，从而造 成产物收率的降低和分离提纯的困 难。
• 催化剂只能加速热力学上可以进行的反 应，而不能加速热力学上无法进行的反 应。
《工业催化》第2章催化剂与催化作用
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催化剂只能催化热力学上可行的化学反应
化学反应在给定的条件下能否进行的热力学判 据是反应的Gibbs自由焓变数值的正负关系，即仅有 当 r G 0时，反应在该条件下才是热力学上可行的 [例] 石墨和金刚石都是由碳元素组成，但化学结构 不同，是两种性质相差很大的化学物质。一般条件 下石墨很难转化为金刚石 （什么条件下石墨可以转化为 金刚石？），所以不要期望通过寻找高效催化剂在一 般条件下实现石墨向金刚石的转变 更不要指望，通过使用催化剂来实现“水变油” 或“点石成金”等不切实际的想法
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催化剂只能改变化学反应速率，而不能改变
化学平衡的位置
对于可逆反应，
k正 Kf k逆
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆 的，一种加速正反应速率的催化剂，则也应以相同 的比例加速逆反应速率，以保持Kf不变
对选择催化剂很有用。例如，由合成气合成甲醇，或 由氢、氮合气合成氨，直接研究正方向反应需要高压设 备，不方便也不经济，故早期研究中利用常压下甲醇分 解反应、氨分解反应，初步筛选相应的合成用催化剂。
常见的助催化剂
作用功能 减缓活性组分结焦，降低酸度 促进活性组分的酸度 间隔活性组分，减少烧结 促进活性组分对CO的氧化 促进载体的酸度和热稳定性 降低氢解和活性组分烧结，减少积炭 促进C-S和C-N氢解 促进MoO3的分散 促进脱焦 阻止Cu的烧结，提高活性
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助催化剂 K2 O HCl MgO
SiO2、ZrO2、P 促进载体的热稳定性
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催化作用改变反应历程意味着：
I. 催化剂参与反应物之间的化学反应； II.通过反应历程的改变使化学反应所需克服的 能垒(活化能)数值大为降低
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
，
• （6）与活性组分发生相互作用
• 溢流现象：定义、必要条例P26 • 强相互作用
• 2.3 对工业催化剂的要求
• 三个方面的基本要求： • 活性、选择性和稳定性或者说寿命。 • 其他要求：环境友好、生物相容、粒度大小和外 形、导热性能、比热容、制造工艺、重现性、再 生性
• 2.2.2截体的功能 • 催化指标：活性、选择性和稳定性 • 工艺流程的改进：先追求选择性，其次是稳定性 ，最后是活性。 • 新开发的工艺及其催化剂：高活性、高选择性， 最后才是稳定性。
• 2.2.2截体的功能 • （1）提供有效的表面和适宜的孔结构 • (2)增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定 的形状 • (3)改善催化剂的传导性： • (4)减少活性组分的含量 • (5)载体提供附加的活性中心 • （6）与活性组分发生相互作用
• 2.3.1 活性和选择性指标
• 活性：指催化剂影响反应进程变化的程度。 • 活性的表达方式： • 给定温度下完成原料的转化率来表达；活性越高 ，原料转化率的百分数越大。 • 完成给定的转率所需要的温度表达，温度越低活 性越高。 • 完成给定的转化率所需要的空速表达空速越高活 性越好。
• 空速是指单位时间里通过单位催化剂的（原料）的量，它反 应了装置的处理能力。 空速有两种表达形式，一种是体积空速，另一种是质量空速。 体积空速=原料体积流量（20℃，m3.h-1）/催化剂体积（m3） 质量空速=原料质量流量（㎏.h-1）/催化剂质量（kg） 空速的最终单位是h-1，反映的是物料在催化剂床层的停留时 间： 空速越大，停留时间越短，反应深度降低，但处理能力增大； 空速越小，停留时间越长，反应深度增高，但处理能力减小。
• 活性组分的选择是首要步骤，但以经验为主。（经验，总 结，找规律） • 分类：金属、半导体和绝缘体。 • 分类的目的： • 容易寻找规律性便于研究新产品，容易处理，信息便 于交流和传播（垃圾，目录）
• (2)载体：载体是催化活性组分的分散剂、粘合物 或支撑体，是负载活性组分的骨架。 • 负载型催化剂：将活性组分、助优化剂组分负载 于载体上所制得的催化剂。 • 载体分类：低比表积、高比表面积。 • 比表面积：比表面积是指单位（质量）物料所具 有的总面积。分外表面积、内表面积两类。 • 载体的影响：催化剂的活性、选择性，热稳定性 ，机械强度，关催化过程的传递特性 • 在筛选和制造优良的工业催化剂时，需要弄清载 体的物理性质和它的功能。
• •
• • • •
（1）提供有效的表面和适宜的孔结构 载体特点：高熔点物，热稳定，一定的宏观结构，（相 对价格低） 活性组分：一般无以上特点 催化剂需要一定的宏观结构（由载体决定）：比表面、 孔结构、孔隙率、孔径分布等， 载体的作用：提供有效的表面（维持活性组分高度分散 ），适宜的孔结构。 降低催化剂的烧结和聚集；对催化剂的活性和选择性会 有很大的影响 分散度：指催化剂表面上暴露出的活性组分的原子数 占该组分在催化剂中原子总数的比例
•
• (2)增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的 形状： • 催化剂的机械强度：抗磨损、抗冲击、抗重力、 抗压和适应温变、相变的能力。
• 机械强度高的催化剂，能够经受住颗粒之间、颗粒与气流 、器壁之间的磨损，催化剂运输、装填时的种击，自身的 重量负荷，温变、相变所产生的应力，颗粒孔隙中结焦产 生膨胀等而不致破裂或粉碎。 • 机械强度差的催化剂，由于上述种种过程导致其破裂或粉 化，导致流体分布不均，增加床层阻力，乃至被迫停车。
• -本章主要内容 –催化剂的基本概念和催化作用的基本特征 –催化剂的组成与功能 –工业催化剂的基本要求
2.2.1催化剂的组成
• 工业催化剂通常不是单一的物质，而是由多种物 质组成。 • 绝大多数催化剂有三类可以区分的组分： • 活性组分、载体、助催化剂。
• (1)活性组分：它是催化剂的主要成分 • 一种物质组成:乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，活性组 分就是银单一物质， • 多种物质组成:如丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼—铋催化剂 ，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。
• 助催化剂问题复杂：元素状态加入，化合状态加 入。加入一种，加入多种，助催化剂之间发生交 互作用。
• 助催化剂（作用机理）分类：结构型和电子型。 • 结构型助催化剂：提高活性组分的分散性（使晶 粒分散不易烧结）、热稳定性（形成高熔点的化 合物、固熔体）、也可提高活性。 • 电子型助催化剂：改变主催化剂的电子结构，促 进催化活性及选择性。金属的催化活性与表面电 子授受能力有关。 • P24合成氨例子
• (3)改善催化剂的传导性（热传导）
• 为了适应工业上强放(吸)热反应的需要，栽体一 船应具有较大的热容和良好的导热性，使反应热 能迅速传递出(进)去，避免局部过热而引起催化 剂的烧结和失活，或设备损坏还可以避免高温下 的副反应，从而提高催化剂的选择性。
• (4)减少活性组分的含量： • 使用贵金届(加Pt、Pd、Rh等)催化剂时，采用栽 体格活性组分高度分散，减少用量有重要意义。 • 降低烧结和聚结。
• (3)助催化剂： • 助催化剂特点： • 少量，辅助成分，没有活性或者活性很小，功效 大，助含量效应常比载体的含量效应敏感。 • 增泡剂：椰油酰胺丙基氧化胺、月桂酰胺丙基氧 化胺 • 增稠剂：纤维素醚及其衍生物类、缔合型碱溶胀 增稠剂和聚氨酯增稠剂、淀粉煮汤
• 助催化剂作用： • 改变催化剂的性质：化学组成、化学结构、离子 价态、酸碱性、晶格结构、表面构造、孔结构、 分散状态、机械强度等，从面提高催化剂的活性 、选择性、稳定性和寿命。 • 促进载体功能的热稳定性。