酸碱催化剂及其催化作用
固体酸碱催化剂及其催化作用全解
固体酸碱催化剂及其催化作用全解固体酸碱催化剂是一类广泛应用于化学反应中的物质。
它们以固态形式存在，并具备酸性或碱性性质，能够与反应底物发生相互作用，从而促进化学反应的进行。
固体酸碱催化剂具有许多优点，如高活性、稳定性好、易于回收利用等，因此在催化化学领域中占有重要地位。
固体酸催化剂主要包括金属氧化物、沸石、层状材料以及离子交换树脂等几种类型。
金属氧化物催化剂中，氧化铋、二氧化硅、二氧化钛等都是常见的固体酸催化剂。
它们具有高酸性、高稳定性和可控性，常用于酯化、酸酐酯化、醇酸缩合等反应中。
沸石是一类由硅氧四面体和金属氧四面体交替组成的晶体结构，具有反应局部的高酸性和较大的孔径，常用于醇醚化、碳氢化合物裂解等反应中。
固体碱催化剂主要包括氧化铝和硅铝酸盐（分子筛）。
氧化铝是一种强碱，具有高度的活性和选择性，常用于醇转酯反应、酯加成反应、酸酐加成反应等。
而硅铝酸盐是一类具有指定孔道结构的化合物，其酸性主要来自于酸位和酟位，常用于烷基化反应、异构化反应等。
酸催化作用主要是通过提供质子（H+）来促进反应的进行。
在酸催化中，催化剂与底物之间发生相互作用，质子转移后生成活化的中间体，从而降低了反应的能垒，加速了反应速率。
例如，在酯化反应中，固体酸催化剂能够降低羰基碳上的催化中间体的电性，促进从碳上的羟基到羰基的质子转移，加速生成酯。
碱催化作用主要是通过接受质子来促进反应的进行。
在碱催化中，催化剂与底物发生相互作用，接受质子生成活化的中间体，从而降低了反应的能垒，加速了反应速率。
例如，在醇转酯反应中，固体碱催化剂能够提供氧化铝或硅铝酸盐表面上的OH-离子，将醇分子上的质子去除，加速生成酯。
总结起来，固体酸碱催化剂通过引入酸性或碱性位点，提供质子或接受质子来促进化学反应的进行。
这种催化作用可以加速反应速率、提高产率和选择性，因此在有机合成、石化加工和环境保护等方面具有广泛应用前景。
酸碱催化剂及其催化作用
❖ Ho测定方法： （1）指示剂指示的胺滴定法（Hammett指示剂法） （2）气态碱分子吸附-脱附法。
除此外，红外光谱图法
1. Hammett指示剂的胺滴定法
利用某些指示剂吸附在固体酸表面上，根据颜色的 变化来测定固体酸表面的酸强度。
O
O Al O L酸中心
O
Al O O- L碱中心
O
O Al O O C2H5
乙氧基
O Al O OH
异丙苯裂解
在B酸中心下进行
酸性强弱与催化反应关系
❖ 烃类骨架异构化需要的酸性中心最强，其次是烷 基芳烃脱烷基，再其次是异构烷烃裂化和烯烃的 双键异构化，脱水反应所需的酸性中心强度最弱。
固体酸的制备技术
❖ TiO2上氧的配位电荷数为 -4/6=（-2/3）（6个氧原子 与1个Ti+4配位);
❖ SiO2上氧的配位电荷数是（2/3），1个Si 与4个O相配位， 每个Si-O键上电荷净值为 （4/4）-（2/3）=+1/3
❖ TiO2-SiO2混合物表面呈L酸 性。
ZnO -ZrO2混合物
❖ ZnO上氧的配位电荷数为 -2/4=-1/2;
H >Zr >Al >Zn >Mg >Ca >Na
举例说明酸碱中心的形成
Al2O3是广泛使用的吸附剂和催化剂，更多场 合用作催化剂载体。它有多种不同的变体（-， -等），其中重要的-Al2O3表面既有酸中心， 也有碱中心。
❖ L-酸中心由表面羟基脱水形成的不完 全配位的铝构成；
❖ L酸中心吸附水形成B酸中心， B酸中 心的酸强度太弱，通常认为Al2O3不 具有B酸性。
化工工业催化导论4酸碱催化剂及其催化作用
4-1 酸碱催化剂及其催化作用
3. 酸、碱中心的形成与结构 固体酸的制备技术
可溶性金属盐 H2SO4
沉淀
浸渍
500-600℃ 煅烧
SO42-/MXOY
沉淀剂
4-1 酸碱催化剂及其催化作用
3. 酸、碱中心的形成与结构 常见固体酸碱催化剂酸碱中心形成 (1) 浸渍法可以得到B酸位 (2) 卤化物可以提供L酸位 (3) 离子交换树脂可以提供B酸碱 (4) 单氧化物酸碱中心形成
3. 酸、碱中心的形成与结构 常见固体酸碱催化剂酸碱中心形成
OH- OH- OH- OH- OH-
O2- O2- O2- O2- O2- O2O2- O2- O2- O2- O2- O2- O2-
O2-
O2-
O2-
O2-
O2- O2- O2- O2- O2- O2-
O2- O2- O2- O2- O2- O2- O2-
(℃)
4-1 酸碱催化剂及其催化作用
2. 固体表面的酸碱性质及其测定
4-1 酸碱催化剂及其催化作用
2. 固体表面的酸碱性质及其测定 (3) 酸－碱对协同位
某些反应，已知虽由催化剂表面上的酸位所催化， 但碱位或多或少地起一定的协同作用。有这种酸－ 碱对协同位的催化剂，有时显示更好的活性，甚至 其酸－碱强度比较单个酸位或碱位的强度更低。例 如ZrO2是一种弱酸和弱碱，但分裂C－H的键的活性， 较更强酸性的SiO2－Al2O3高，也较更强碱性的MgO 高。这种酸位和碱位协同作用，对于某些特定的反 应是很有利的，因而具有更高的选择性。这类催化 剂叫酸碱双功能催化剂。
4-1 酸碱催化剂及其催化作用
5. 固体超强酸和超强碱及其催化作用 固体超强酸和超强碱
固体酸的强度若超过100%硫酸的强度，则称之 为超强酸。因为100%硫酸的酸强度用Hammett酸 强度函数表示时为H0 = －11.9，故固体酸强度H0 < －11.9者谓之固体超强酸或超酸。常见的固体超强 酸有ClSO3H、SbF6-SiO2·ZrO2、SO42-·Fe2O3。
第3章酸碱催化剂及其催化作用
第3章酸碱催化剂及其催化作用1.引言在化学反应中，催化剂起着至关重要的作用，它们能够降低反应活化能，提高反应速率，同时不参与反应本身。
酸碱催化剂是一类常见的催化剂，广泛应用于化学合成、石油工业等领域。
本章将重点介绍酸碱催化剂的类型、催化机理以及其在一些重要反应中的应用。
2.酸性催化剂酸性催化剂是指在催化反应中起酸性作用的化学物质。
常见的酸性催化剂包括铜氧化物、氯化铵、硫酸等。
酸性催化剂通常能够提供质子或吸附物种，使得反应物与催化剂之间发生相互作用，进而降低反应活化能。
酸性催化剂常见的催化反应包括酯化反应、加成反应等。
3.碱性催化剂碱性催化剂是指在催化反应中起碱性作用的化学物质。
常见的碱性催化剂包括氢氧化钠、氨水、羟胺等。
碱性催化剂通常能够提供氢离子或吸附物种，参与与反应物的相互作用，从而降低反应活化能。
碱性催化剂常见的催化反应包括酯水解、酰化反应等。
4.酸碱催化剂的催化机理酸碱催化剂的催化机理涉及到质子和离子的贡献。
对于酸性催化剂，它们通常通过质子转移的方式参与催化反应，而碱性催化剂则通过氢离子转移参与反应。
酸碱中心的活性位点能够吸附反应物，使得反应物与催化剂中心发生相互作用，从而降低反应活化能。
5.酸碱催化剂的应用酸碱催化剂广泛应用于有机合成以及石油化工等领域。
例如，在酯化反应中，酸性催化剂常被用作催化剂，它们能够促使酸酐与醇发生反应生成酯；在酮合成反应中，碱性催化剂常被用来催化醛或酮的氢化反应。
此外，酸碱催化剂还在生物化学、环境保护等领域有广泛应用。
总结酸碱催化剂起着重要的催化作用，它们能够降低反应活化能、提高反应速率，从而加速化学反应的进行。
酸性催化剂通过质子转移参与催化，碱性催化剂通过氢离子转移参与催化。
酸碱催化剂在有机合成、石油化工等领域有广泛应用，对于提高反应效率、改善反应选择性具有重要意义。
第三章 各类催化剂及其催化作用_酸碱催化剂
中毒法：
脉冲注入能使酸碱中心中毒的物质，并选择以酸碱中心为活性位的 反应为对象，可根据反应活性下降的情况来求出使催化剂活性降为 零时所耗毒物的总量，并折算到酸碱中心总数。
H0 = pKa + lg [:B]a [A:B]
[A:B] : 吸附碱B与电子对受体A形成的络合物AB的浓度
H0越小酸强度越强； H0越大酸强度越弱。
固体酸强度的测定：
指示剂法：
指示剂的颜色取决于 [BH+] 或 [B] 的比例，当其正好等于1 [AB] 时，处于变色临界点。
1. 在某催化剂中加入某指示剂(pKa)，若保持碱型色，说明 [B] > [BH+]，催化剂对该指示剂的转化能力较小，H0 > pKa；若指示剂显酸型色，说明催化剂的转化能力较强， H0 < pKa。 2. 把指示剂按pKa大小排成一个序列，总可以找到一个指示 剂(pKa = α)，它的碱型色不能被催化剂改变，而下一个指 示剂(pKa = β)被催化剂变成了酸型色，那么催化剂H0的取 值范围应该是α< H0 < β 。 100%的H2SO4的H0认为是‒11.9，故认为H0为‒12或更小的酸相当于 100%以上的H2SO4 ，这样的酸称为超强酸。
例如：以HM分子筛为催化剂时的甲苯歧化反应，可选择吡啶作为毒物，利用甲 苯和吡啶的交替注入，观察活性下降情况外延至活性为零时所需吡啶量，即可 求出HM的表面酸量。
典型反应估计法：
选择一些既能被酸催化发生某一反应，又能被碱催化发生另一反应。 从同一物料反应后的选择性来估测催化剂的表面酸碱性。
第四章_固体酸碱催化剂及其催化作用
第四章_固体酸碱催化剂及其催化作用固体酸碱催化剂是一类在化学反应中作为催化剂的物质，具有固体形态的特点。
与传统的液体酸碱催化剂相比，固体酸碱催化剂具有较高的催化活性、良好的稳定性和可回收性，因此在许多化学反应中得到了广泛的应用。
固体酸催化剂是指具有酸性的固体物质，能够与碱性物质或带有亲电性的基团发生酸碱反应。
常见的固体酸催化剂包括过渡金属氧化物、沸石、硫酸等。
其中，过渡金属氧化物催化剂具有较强的酸性，能够提供足够的酸位和酸位强度，因此具有较高的催化活性。
固体碱催化剂是指具有碱性的固体物质，能够与酸性物质或带有亲核性的基团发生酸碱反应。
常见的固体碱催化剂包括氧化铝、氧化镁、氧化钙等。
其中，氧化铝催化剂由于其高度分散性和酸碱中心的存在，具有较强的碱性，能够在一定温度下催化醇的脱水反应、酯化反应等。
固体酸碱催化剂在化学反应中发挥着重要的作用。
首先，其具有高催化活性，能够降低反应的活化能，促进反应的进行。
其次，固体酸碱催化剂具有较好的稳定性，不易受到反应条件的影响，可以进行长时间的催化反应。
同时，固体酸碱催化剂也具有良好的选择性，能够选择性地催化目标产物的生成，减少副产物的生成。
固体酸碱催化剂的应用范围非常广泛。
在石油化工领域，固体酸碱催化剂常用于石脑油的催化裂化反应、异构化反应等。
在有机合成领域，固体酸碱催化剂可用于醇的脱水反应、酯化反应、氧化还原反应等。
在环保领域，固体酸碱催化剂可用于废水处理、大气污染物的清除等。
总结起来，固体酸碱催化剂是一类具有较高催化活性、良好稳定性和可回收性的固体物质，广泛应用于各种化学反应中。
它们具有很大的应用潜力，可以帮助我们实现高效、低成本的化学合成过程，为实现可持续发展提供支持。
酸碱催化剂及其催化作用均相催化PPT课件
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• 2、穿插反应：在配位群空间内，在M—L间插入一个基团，结果形成新的配位 体，而保持中心原子的原配位不饱和度。
• 穿插反应与邻位转移实验上很难区分。 • 3、β—氢转移（β消除反应） • 有机配体与M以σ-键络合，其β位碳原子上有氢，结果C—H键断裂，形成M—H，
给电子体更有利于β–氢转移）。
•
β–氢转移可视为临位插入的逆过程。
•
4．配位体解离和配位体的交换。
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• 1.2.5 配位场的影响
• 络合催化中，配位场的影响是多方面的，其 中最显著者；
• 1. 空位（Vacant site）概念和模板 （Template）效应。
• 在前面分析的络合催化中已明确地了解到，反 应物分子配位键合进入反应时，需要过渡金属 配位空间中有一个空位。
• 1、配位不饱和与氧化加成： • 配位不饱和：络合物的配位数低于饱和值。有
络合空位。 • 饱和配位：六：Ca、Cd、Co、Fe; 五：Ni; 四：
Cu等。 • 配位不饱和的几种情况： • 1）原来不饱和；2）有基质分子易取代的介质
分子占位；3）潜在不饱和，可能发生配位体的 解离。
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• 4. 氢甲酰化反应进展
• (一)均相固相化催化剂的研究 • 固相化方法主要有二种，一是通过各种化学键合
把络合催化剂负载于高分子载体上，称为化学键 合法。另一种是物理吸附法，把催化剂吸附于硅 胶，氧化铝、活性炭、分子筛等无机载体上，也 可将催化剂溶于高沸点溶剂后，再浸渍于载体上。 • 目前金属剥离问题仍是阻碍固相络合催化剂实际 应用的主要障碍。 • (二)非铑催化剂的研究 • 铂系催化剂，如螯形环铂催化剂 • 钌簇离子型络合催化剂HRu3(CO)15
酸碱催化剂
定义：
固体酸 强度
H0 被称为酸强度函数
C BH+ / CB
H0
• 在稀溶液中时：
H0 被称为酸强度函数( Hammett acidity function)
若要表示L酸， Define： H0= -lg（aA·γB／γAB）
当用某PKa指示剂滴定固体酸时达到等当点时，C
BH+ = CB，此时Ho=PKa，因此，可以从指示剂的 PKa得到固体酸的酸强度Ho。
5）氧化物酸中心形成
IIIA和过渡金属氧化物常呈现酸性质。例如 AI2O3表面经 670K以上热处理，得到－ AI2O3 和 － AI2O3 。均具有酸中心和碱中心，形成如 下：
4.4 固体酸碱性质及测量
4.4.1 固体酸性质
⑴ kind of acid site L or B acid
⑵ concentration of acid site acid site number / surface area or sample weight
⑶ strength of acid site B acid: ability of donating proton L acid: ability of accepting electron
4.4.2 固体酸表面酸中心强度和浓度的测 定
A. Hammett指示剂的胺滴定法
利用某些指示剂吸附在固体酸表面上，根据 颜色的变化来测定固体酸表面的酸强度。
这就需要对酸、碱催化剂本身有所认识， 也需要对所催化的反应的机理有所认识。
4.2 酸碱催化剂的类型
4.3 酸碱定义及酸碱中心的形成
4.3.1 酸碱定义
B 酸-----能提供H+的物质。 B 碱-----能接受H+的物质。
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R C C C+ H2 A RH+ C C C
C
C CCCCC C A C C C+C C C
( RON : 0 )
( RON : 102 )
酸碱催化剂及其催化作用
概述
烷基化：
C2H4+
A
C2H5 （分子筛）
RCC +
A
HF
C
C (线性烷基苯） R
C
C
CC
C
C
C+C
C
C
HF C
H2SO4
C
C
C
C
C
(高 RON)
酸碱催化剂及其催化作用
早期用硫酸、氢氟酸、磷酸、三氯化铝等液体 酸或路易斯酸作为催化剂。这些酸都具有确定 的酸强度、酸类型，而且在较低温度下有相当 高的催化活性。
从产品分离、设备腐蚀，尤其上环保方面考虑， 使用固体酸催化剂替代H2SO4、HF和AlCl3 等 液体酸催化剂的工艺十分重要 。
2、浸润类：液体酸(H2SO4 、H3PO4)负载在相 应的载体（氧化硅和氧化铝）上；
3、阳离子交换树脂： 4、金属氧化物或复合氧化物：如ZrO2, WO3
MoO3, WO3-ZrO2, MoO3-ZrO2, 杂多酸、合成分 子筛等 5、金属盐：NiSO4, AlPO4 ，AlCl3
酸碱催化剂及其催化作用
常用于吸附的气态碱有NH3、吡啶、正丁胺等。
酸碱催化剂及其催化作用
程序升温脱附法(TPD法)
气态碱吸附法已发展为程序升温脱附法(TPD)。 TPD法是将预先吸附了某种碱的固体酸在等速
升温并通入稳定流速的载气条件下，表面吸附 的碱到一定的温度范围便脱附出来，用检测器 (TCD, MS)记录碱脱附速度随温度的变化，即 得TPD曲线。 这种曲线的形状、大小及出现最高峰时的温度 Tm值，均与固体酸的表面性质有关。
第三章 酸碱催化剂及其催化作用
本章重点内容
固体酸、碱的定义； 固体表面的酸、 (碱)性质及其测定方法； 酸、(碱)中心的形成与结构； 二元氧化物酸中心判定经验规则 固体酸、 (碱)的催化作用
酸碱催化剂及其催化作用
概述
酸类型催化剂是石油炼制与化工中使用最多的一类 催化剂，如烃类的裂化、烃类的异构化、芳烃和烯 烃的烷基化、烯烃的水合制醇、醇的脱水等反应都 使用酸性催化剂。
酸碱催化剂及其催化作用
脱附峰面积表示该强度的酸量
酸碱催化剂及其催化作用
常用的固体表面酸性测定方法
方法
吸附指试剂正丁胺滴 定法
吸附微量量热法 热分析（TG ）方法
表征内容
酸量，酸强度
酸量，酸强度 酸量，酸强度
程序升温热脱附 探针分子红外光谱 1H MAS NMR
酸量，酸强度 B酸，L酸 B酸量，B酸强度
酸碱催化剂及其催化作用
HZSM-5沸石上B酸、L酸 与吡啶作用后的红外光谱
酸碱催化剂及其催化作用
酸中心的强度及其测定
酸强度是指给出质子的能力(B酸强度)或 者接受电子对的能力(L酸强度)。
通常用酸强度函数Ho表示固体酸强度， Ho越小酸强度越强， Ho越大酸越弱。
通常固体酸强度测定方法：用指示剂指 示的胺滴定法和气态碱分子吸附-脱附法。
酸碱催化剂及其催化作用
固体表面的酸性质及其测定
酸碱催化剂及其催化作用
固体表面的酸、碱性质
固体表面的酸碱性质包括如下几方面：
酸、碱中心的类型 酸、碱强度 酸、碱量
酸碱催化剂及其催化作用
固体酸中心类型及其鉴定方法
B酸中心和L酸中心两类 为了阐明固体酸的催化作用，常常需要
区分B酸中心还是L酸中心。 研究NH3或吡啶等碱性分子在固体表面上
本章主要探讨固体酸催化剂及其催化作用。
酸碱催化剂及其催化作用
酸碱的BrÖnsted和Lewis定义
凡是能给出质子或者接受电子对的物质 称为酸(B酸或L酸)
凡是能接受质子或者给出电子对的物质 称为碱(B碱或L碱)
NH3 十H3O＋（ B酸）＝NH4＋十H2O BF3 （ L酸）十 ：NH3 F3B：NH3
酸碱催化剂及其催化作用
各种阳离子交换的ZSM-5沸上 吸附氨的TPD图
酸碱催化剂及其催化作用
酸量的测定
固体酸表面上的酸量，通常表示为单位 重量或者单位表面积上酸位的毫摩尔数， 即mmol/wt或mmol/m2。酸量也称酸度， 指酸的浓度。
TPD法 用碱性气体的脱附温度表示酸的 强度时，该温度下的脱附峰面积可以表 示该强度的酸量。
酸碱催化剂及其催化作用
气态碱吸附法
碱分子吸附在固体酸中心上，强酸中心吸附的 碱比在弱酸中心吸附的更牢固，使之脱附也更 困难。当升温脱附时，吸附弱的碱先排出，故 根据不同温度下排出的碱量，可以得出酸强度 和酸量。
实验是将固体样品置于石英弹簧天平上，经抽 空后再引进有机碱蒸气使之吸附。如长时间抽 空样品重量不变，那么留在样品上的碱量就可 作为化学吸附量。
固体碱的分类
1 、浸润类：NaOH、KOH浸润于氧化硅和氧 化铝上；碱金属、碱土金属分散于SiO2, Al2O3 等载体上；
3、阴离子交换树脂： 4、金属氧化物或复合氧化物：如Na2O, K2O
MgO, BaO , SiO2 -MgO , TiO2 -MgO, Al2O3 MgO等 5、金属盐：Na2CO3, K2CO3 Na2WO4 ，KCN等 6、用碱金属离子或碱土金属离子交换的合成 分子筛等
吸附的红外光谱可以作出区分，碱性分 子在B酸中心吸附形成离子键； 在L酸中 心吸附形成配位键。
酸碱催化剂及其催化作用
吡啶作为探针分子的红外光Байду номын сангаас法
吡啶吸附在B酸中心上形成吡啶离子，其 红外特征吸收峰之一在1540 cm-1 处。
吡啶吸附在L酸中心上形成配位络合物， 特征吸收峰在1450 cm -1处。
酸碱催化剂及其催化作用
固体酸、碱的定义
固体酸：凡能化学吸附碱性物质的固体。 按BrÖnsted和Lewis的定义：
能给出质子或者接受电子对的固体称之为固 体酸。
能接受质子或者给出电子对的固体称之为固 体碱。
酸碱催化剂及其催化作用
固体酸的分类
1 、天然粘土类：高岭土、膨润土、蒙脱土、 天然沸石等，主要组分为氧化硅和氧化铝；
酸碱催化剂及其催化作用
固体碱强度与碱量
固体碱强度：表面吸附的酸转变成为共轭碱的 能力，也定义为表面给出电子对给吸附酸的能 力。
固体碱表面上的碱量，通常表示为单位重量或 者单位表面积上碱位的毫摩尔数，即mmol/wt 或mmol/m2。碱量也叫碱度，指碱中心的浓度。