【大学课件】各类催化剂的分类与机理
催化剂的种类与反应机制
催化剂的种类与反应机制催化剂是一种常用的化学试剂，可以加速反应速率、降低活化能，从而使反应更快、更全面。
催化剂可以分为很多种，比如有金属催化剂、非金属催化剂、酶催化剂等等，本文将从这几种催化剂的反应机制和应用上进行一些探讨。
一、金属催化剂金属催化剂主要利用金属离子的化学反应来促进化学反应，常被用于取代自由基反应剂，如鸟嘌呤、苯等。
金属催化剂的活化能一般较小，因此反应过程中，往往出现了机理复杂的中间产物。
使用金属催化剂通常还需要配备氧化剂、还原剂等，才能使反应更加彻底。
金属催化剂在有机合成中有很广泛的应用，如Pd/C、Pt/C、Ru/C等，分别是镍、铂、铑/温和还原剂。
其中，Pd/C的功效体现在它可以催化烯烃的氢化反应，形成单烷基化和去芳香化产物。
Pt/C的功效在于它可以催化β-酮酯的羰基还原反应，使反应速率加快，降低活化能等等。
金属催化剂在工业合成上也非常常见，如在汽车尾气处理中使用的三元催化剂、石油加氢还原催化剂等等。
二、非金属催化剂非金属催化剂可以分为两种类型，一类是以非金属物质为催化物，比如酸催化剂、碱催化剂、氧化剂等等。
另一类是以分子分子之间的作用力为催化机理，如路易斯酸催化剂，膦酸催化剂等等。
酸催化剂是利用氢离子和物质发生反应来促进化学反应的催化剂。
酸催化剂常常被用于酯化反应、醚化反应、缩合反应等等。
比如，用硫酸来催化合成乙酸乙酯，催化乙醇和乙酸酸化反应等。
碱催化剂则是利用水中的氢氧离子（OH-）来提供氢离子，增加反应物质的活性，进而促进化学反应的过程，如酸碱酯化反应。
除了酸催化剂和碱催化剂，氧化催化剂也是非金属催化剂中的一种。
氧化剂是指能够将化学反应的氧气氧化为正离子的物质。
氧化催化剂通常被用于氧化反应和脱除污染物质，比如可克隆催化剂(VOX)可以催化苯酚的灭活反应，降解污染物。
三、酶催化剂酶催化剂是一种特殊类型的催化剂，它们是在生物体内合成的蛋白质，具有高效性和良好的选择性，因此被广泛应用于生物催化反应中，如生物转化，代谢物降解等等。
催化剂ppt课件
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相转移催化原理：气-液相转移催化反响体系
将典型的相转移催化剂与固体反响物或固体支持物(如硅胶、氧化铝等〉同置于反 响床中，首先在加热条件下构成气-液相转移催化反响体系，然后再经过反响床在 出口处搜集导出产物及未反响的原料气。
例如，当卤代烃经过由脂肪或芳香羧酸盐和季铵盐组成的反响床时，可以得到相 应的羧酸酯。
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3.4.5 三相催化剂及催化作用
三相催化剂被用于腈、醚、卤素交换等反响。 它们比可溶的相转移催化剂 优越之处在于：反响之后易于分别，可再生利用。 缺陷：由于载体的介入，活性想对降低。 三相相转移催化剂的特点： ⒈ 不溶于水、酸、碱和有机溶剂，反响终了后只需简单过滤即可定量回收； ⒉ 可多次反复运用，而活性不降低或略微降低，反响产物从反响体系中的分别提
较贵
易
不困难（依赖于反应条件）
蒸馏
价格 液-液相，液-固相
液-固相
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回收 不重要 反应体 小
重要 大
易 低 蒸馏 液-液相，液-固相 不重要 小
3.4.3 相转移催化机理
相转移催化反响普通属于两相反响，反响过程主要包括反响物从一相向另外一相 的转移以及被转移物质与待转移物质发生化学反响。至今为止开展了多种不同的 催化反响机理
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3.1.5 催化剂的根本性能
催化活性 催化剂的活性是评价催化剂的一种度量，是指催化剂加快化学反响速度的性能，实
践是指催化反响速度与非催化反响速度之差。
催化活性，指物质的催化作用的才干，是催化剂的重要性质之一。物质的催化活
性是针对给定的化学反响而言的。工业消费上常以每单位容积(或质量)催化剂在单位
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3.1.5 催化剂的根本性能 催化剂选择性 催化剂并不对热力学所允许的一切化学反响都起催化作用，而仅对平行反响或
各类催化剂的组成结构及其催化作用规律与催化机理
各类催化剂的组成结构及其催化作用规律与催化机理催化剂是一种能够加速化学反应速率而不发生化学变化的物质。
不同类型的催化剂在组成、结构和催化作用规律及催化机理上存在差异。
1.金属催化剂：金属催化剂主要由一种或多种金属元素组成。
它们的结构可以是单质金属，合金或金属氧化物。
金属催化剂的催化作用规律是活性中心和反应物之间的相互作用。
催化机理有两种类型：双电子传递和继承。
2.酸碱催化剂：酸碱催化剂是通过提供或接受质子（酸）或氢氧根离子（碱）来促进反应的催化剂。
它们的组成可以是无机酸或碱（如氢氟酸和氢氧化钠），也可以是有机酸或碱（如有机酸和胺）。
酸碱催化剂的催化作用规律是在酸碱性环境中，反应物与催化剂之间的反应活性。
3.酶催化剂：酶是一种生物催化剂，是由蛋白质组成的大分子催化剂。
它们的组成是由酶蛋白质和辅助物质（如金属离子和辅酶）组成。
酶催化剂的催化作用规律是酶与底物形成酶底物复合物，并通过改变底物的反应活性、方向和速率来催化反应。
4.氧化剂：氧化剂是一种能够在反应中接受电子的催化剂。
它们的组成可以是金属氧化物（如铬酸和二氧化锰）或有机化合物（如过氧化物和过氧硫酸氢钠）。
氧化剂的催化作用规律是通过在反应中接受电子，使反应底物发生氧化反应。
5.还原剂：还原剂是一种能够在反应中捐赠电子的催化剂。
它们的组成可以是金属（如钠和锌）或有机化合物（如氢化钠和氢气）。
还原剂的催化作用规律是通过在反应中捐赠电子，使反应底物发生还原反应。
催化剂的催化机理是根据不同的催化剂类型而不同的。
例如，金属催化剂通过吸附反应底物并与其发生反应来催化反应。
酸碱催化剂通过给予或接受质子或氢氧根离子来改变反应底物的反应性质。
酶催化剂通过形成酶底物复合物并在酶的活性位点上发生催化反应。
氧化剂通过向底物接受电子来氧化底物，而还原剂则捐赠电子给底物来还原底物。
总之，不同类型的催化剂在组成、结构、催化作用规律和催化机理上存在差异。
了解和掌握不同催化剂的特点和催化机理对于合理设计和选择催化剂，并优化催化反应至关重要。
催化剂的种类与作用机制
催化剂的种类与作用机制催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质。
它在反应中起到中间体角色，并且能够被重复使用而不参与反应的转化。
催化剂的种类非常多样，根据其结构和性质的不同，可以分为金属催化剂、酶催化剂、酸催化剂和碱催化剂等几大类。
本文将介绍这些催化剂的种类及作用机制。
一、金属催化剂金属催化剂是广泛应用于工业生产中的一类催化剂。
它们通常以金属元素为主体，如铂、钯、铜等。
金属催化剂通过吸附反应物和调整反应物的电子结构，降低反应的活化能，从而提高反应速率。
例如，在有机合成中，铂催化剂常用于加氢反应，它可以高效地将烯烃转化为烷烃。
二、酶催化剂酶催化剂是一类生物催化剂，它们是高效的天然催化剂。
酶通常由蛋白质组成，具有高度的立体选择性和反应特异性。
酶催化剂在生物体内发挥着关键作用，如酶催化剂在消化过程中促进食物的分解和吸收。
酶催化剂通过与底物形成酶底物复合物，降低反应的活化能，从而加速反应速率。
三、酸催化剂酸催化剂是一种使用广泛的催化剂，它们常用于酸催化反应，如酸催化酯化反应和酸催化裂解反应。
酸催化剂通常是强酸或酸性物质。
它们通过捕获反应物中的氢离子，促进反应的进行。
酸催化剂可以改变反应物的电子密度和反键的能量，从而降低反应的活化能。
四、碱催化剂碱催化剂是一种酸碱中性的催化剂，常用于碱催化反应，如碱催化加成反应和碱催化酯化反应。
碱催化剂通常是强碱或碱性物质。
它们通过与反应物发生酸碱中和反应，改变反应物的电荷分布和立体构型，降低反应的活化能，从而加速反应速率。
催化剂的作用机制是多种多样的，但可以总结为三个方面：吸附作用、活化作用和再生作用。
催化剂通过吸附作用将反应物吸附到其表面，并与反应物形成催化物种，从而促使反应发生。
活化作用是催化剂与反应物之间发生的相互作用，通过改变反应物的电子结构和空间构型，降低反应的活化能。
再生作用是指催化剂在反应结束后，可以通过逆反应或其他方式重新获得其活性，从而循环使用。
综上所述，催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质。
催化剂种类介绍课件
酶催化高度专一性，能够 选择性催化一种或少数几种化学反应。同时，酶催化剂具有高效性，能够显著加速化学反应速率。
过渡金属催化剂
总结词
过渡金属催化剂是一种利用过渡金属元素加速化学反应的催化剂。
详细描述
过渡金属催化剂通常由过渡金属元素组成，如铁、钴、镍等。它们通过与反应物相互作用来加速化学反应。过渡 金属催化剂在工业生产和化学合成中广泛应用，特别是在石油化工和有机合成领域。
多相催化剂
多相催化剂是一种由固体催化剂和液体反应物组成的催化剂，其中固体催化剂为分 散在液体反应物中的微小颗粒。
多相催化剂的活性组分通常为金属、金属氧化物或分子筛等，适用于一些气固相或 液固相催化反应，如烷基化、加氢、脱硫等。
多相催化剂的优点是易分离、可回收，且对环境友好，缺点是活性较低、选择性较 差。
生物催化剂
01
生物催化剂是指生物体内具有 催化作用的酶，是一类具有高 度专一性和高效性的生物分子 。
02
生物催化剂在生物转化和生物 合成过程中起着至关重要的作 用，能够催化各种复杂有机分 子进行合成或降解。
03
生物催化剂的优点是高度专一 性、条件和蔼、环保，缺点是 稳定性较差，易受温度、pH等 因素影响。
THANKS
感谢观看
VS
详细描述
随着纳米技术、生物技术等领域的不断发 展，新型催化剂材料如纳米催化剂、酶催 化剂等不断涌现，为解决传统催化剂面临 的挑战提供了新的思路。
绿色环保催化剂的应用
总结词
绿色环保催化剂的应用是未来化学工业发展 的必然趋势。
详细描述
这类催化剂能够在和蔼的条件下实现高效、 环保的化学反应，减少对环境的负面影响， 对于推动可持续发展具有重要意义。
催化剂种类和机制
催化剂种类和机制催化剂是一种能够促进化学反应进程的物质，它们不会被反应消耗，但可以降低反应能垒，从而提高反应速率。
催化剂在化工、制药、食品和能源等领域中有着广泛的应用，因此对催化剂种类和机制的研究一直是化学界的热门话题。
催化剂种类催化剂种类繁多，可以按照其物理和化学性质进行分类。
其中最常见的分类方法是按照其反应物和反应类型分类。
根据反应物的不同，催化剂可分为氧化剂、还原剂、酸性催化剂和碱性催化剂四类。
氧化剂是一类能够提供氧原子或氧分子的催化剂，如过氧化氢、氯、臭氧和羟基自由基等。
氧化剂常常用于含有不饱和键和有机官能团的反应中，如乙烯的氧化、醛和羧酸的合成等。
还原剂是一类能够提供氢原子或电子的催化剂，如氢气、铝烷和硼烷等。
还原剂常常用于含有羰基和双键的反应中，如烯烃的加氢、醛和酮的还原等。
酸性催化剂是一类能够提供H+离子的催化剂，如硫酸、氯化氢和固体酸等。
酸性催化剂常常用于各种酸催化反应中，如糖的加氢、裂解和异构化等。
碱性催化剂是一类能够提供OH-离子或其他碱性基团的催化剂，如氢氧化钠、氢氧化钾和氨基催化剂等。
碱性催化剂常常用于各种碱催化反应中，如酯的水解、糖的异构化和缩合反应等。
催化剂机制催化剂的作用机制有很多种，最常见的是催化剂作为交互体介导反应的机制。
催化剂与反应物形成中间复合体，使反应路径得到减缓，从而降低了反应能垒，促进了反应产物的生成。
另外，催化剂的作用还有促进电荷转移、促进分子吸附、形成择形反应产物和稳定反应产物等多种机制。
其中，催化剂的择形性和反应精确度对于制药和材料领域中的合成更为关键。
催化剂使用的限制和提高催化剂效率的方法在催化剂使用过程中，有几个方面需要注意。
首先，催化剂的使用需要严格控制反应条件，比如反应温度、反应压力、反应物浓度、pH值等。
其次，催化剂通常需要实现回收再利用，以减少催化剂的使用量和环境污染。
第三，催化剂有一定的生命周期，需要及时更换。
要提高催化剂的效率，可以采取以下几种方法。
催化剂的种类及作用机理
催化剂的种类及作用机理催化剂是一种可以加速化学反应进程的物质，具有很重要的工业应用和科学价值。
催化剂既能提高反应速率，又能增加反应选择性，同时可节约原料和降低能耗。
催化剂的种类很多，每种催化剂都有其特定的作用机理。
本文将就催化剂的种类及作用机理进行详细介绍。
1.金属催化剂金属催化剂广泛应用于有机合成和精细化工领域。
它们可以通过对反应物分子的键断裂和形成进行催化，提高反应速度。
金属催化剂的机理主要包括两个方面：第一，金属离子可以吸附在反应物表面上，通过改变化学键的键能，减小反应过渡态的能量；第二，金属离子可以在反应物表面上形成活性中间体，从而产生新的反应路径，并促进反应进行。
2.酸碱催化剂酸碱催化剂广泛应用于涉及质子交换、氧化还原和酸碱中和等反应的领域。
酸碱催化剂可以促进反应物中的离子化或共轭，并在反应物之间传递质子。
酸碱催化剂能够吸附反应物分子，使之变得更容易反应，从而减少反应的活化能。
由于酸碱催化剂主要作用于反应物分子本身，因此它们通常是非选择性催化剂。
3.酶催化剂酶催化剂是一种特殊的催化剂，它们主要应用于生化反应。
酶催化剂可以通过特定的基团结构，与反应物中的亲基或亲电子取得联系。
通过与反应物结合、分解或合成新的键，酶催化剂可以促进反应的进行。
酶催化剂具有选择性催化的特点，能够加速特定的反应，而不会对反应物质造成不良影响。
4.氧化催化剂氧化催化剂通常用于涉及氧化反应的领域。
氧化催化剂可以通过向反应物中引入氧分子，促进反应的进行。
氧化催化剂可以通过氧化还原反应，促进反应物的氧化，并生成一定的中间产物。
只有通过氧化催化剂的作用，反应才能够完成。
不仅如此，一些氧化催化剂还能够从碳氢化合物中除去二氧化碳，减少对环境的污染。
5.光催化剂光催化剂主要应用于涉及与光反应有关的领域。
它们可以通过吸收光子而获得足够的能量，以加速反应物的分解或合成。
光催化剂通常包括半导体纳米晶体和金属-有机框架。
它们可以通过光电子效应产生电子空穴对，以激活反应物分子，并促进反应的进行。
化学反应中的催化剂的种类与机理
化学反应中的催化剂的种类与机理化学反应是指物质之间发生化学变化的过程，它在各个领域都起着至关重要的作用。
然而，有些化学反应的速度较慢，不能满足实际需求。
为了加快反应速率，催化剂成为了必不可少的角色。
催化剂可以显著提高反应速率，降低所需活化能。
本文将探讨化学反应中常见的催化剂的种类与机理。
一、金属催化剂金属催化剂是化学反应中最常见的催化剂之一。
金属具有多种特性，如活性中心、高电子转移能力和提供表面吸附位点。
这些特性使金属催化剂能够参与电子转移、氧化还原和共价键断裂等反应步骤。
1. 铂族金属催化剂铂族金属催化剂包括铂、钯、铑、钌、铱和钌等。
它们具有良好的催化活性和选择性，常用于氢化、氧化、羰基还原和氢解等反应。
其机理通常涉及金属表面吸附和电子转移。
2. 过渡金属催化剂过渡金属催化剂是指周期表中4d和5d过渡金属，如钼、钨、铜、铁等。
它们常被用于氧化还原、羰基化反应和氢化反应等。
机理包括配位和电子转移。
3. 碱金属催化剂碱金属催化剂指的是周期表第一组元素，如钠、钾和锂。
它们常用于氧化还原和酸碱中和等反应。
机理主要涉及离子激活和电子转移。
二、酶催化酶是一类在生物体内存在的催化剂，可以加速生物化学反应的发生。
酶具有高催化效率、高专一性和广泛的底物适应性。
它们可以在相对温和的条件下催化各种反应，如酯水解、氧化还原和加成反应等。
1. 构象选择催化机理酶通过接触到底物并诱导底物发生构象变化，从而实现催化。
这种机理在血红素中的过氧化物酶、DNA脱氧酶和脂肪酶等酶催化反应中被广泛应用。
2. 辅基转移催化机理酶通过与辅基结合并催化辅基的转移，实现底物的转化。
这种机理在脱氧核糖核酸聚合酶、醇脱氢酶和乙醇酸脱氢酶等酶催化反应中被广泛应用。
三、高分子催化剂高分子催化剂是一类由聚合物构成的催化剂。
它们通常由聚合物基底和活性中心两部分组成。
高分子催化剂具有良好的可重复性、多功能性和可调控性。
1. 针对底物的分子筛催化高分子催化剂通过其内部具有特定空间结构的孔隙，可以选择性吸附特定大小和形状的底物。
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式中[A:B]是吸附碱B与电子对受体A形成的络 合物AB的浓度。H0越小酸度越强。
酸量：固体表面上的酸量，通常表示为单位
重量或单位表面积上酸位的毫摩尔数，即m mol/wt或m mol/m2。酸量也叫酸度，指酸的
浓度。
固体碱的强度，定义为表面吸附的酸转变为共 轭碱的能力，也定义为表面给出电子对于吸附 酸的能力。碱量的表示，用单位重量或者单位
表面积碱的毫摩尔数，即m mol/wt或m mol/m2。碱量也叫碱度，指碱中心的浓度。
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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。
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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Hammeett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。
固体超强碱是指它的碱强度用碱强度函
数H-表示高于+26者。固体超强碱多为碱
所催化，但酸的存在会影响反应的选择性和速率。
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γ- Al2O3表面有强酸部位和弱酸部位；强
酸位是催化异构化反应的活性部位，弱 酸位是是催化脱水反应的活性部位。固 体酸催化剂表面上存在一种以上的活性 部位，是它们的选择性特性所在。一般 涉及C-C键断裂的反应，如催化裂化、骨 架异构、烷基转移和歧化反应，都要求 强酸中心；涉及C-H键断裂的反应如氢转 移、水合、环化、烷基化等，都需要弱 酸中心。
所以酸催化常数应与酸的离解常数成比 例。实验表明二者有如下的关系
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式中和均为常数，它决定于反应的这类和条件。
对于碱催化的反应，碱催化常数应与碱的离解 常数成比例。二者有如下的关系
6 各类催化剂及其作用机理
在学习了多相催化动力学的基础上，本 章重点介绍各类催化剂的组成、结构及 其催化作用规律与催化机理。主要包括 五大类催化剂：固体酸碱催化剂，分子 筛催化剂，金属催化剂，金属氧化物和 金属硫化物催化剂，以及络合催化剂。 重点掌握各类催化剂的基础知识、基本 概念，典型代表、工业应用及最新进展。
为：能够接受电子对的都是酸，能够给出电子
对的都是碱，所以L酸L碱又叫非质子酸碱。
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2. 固体酸碱的强度和酸碱量
B酸强度，是指给出质子的能力；L酸强度是指
接受电子对的能力。酸强度通常用Hammeett
函数H0表示，定义如下：
若一固体酸表面能够吸附一未解离的碱，并且 将它转变为相应的共轭酸，且转变是借助于质 子自固体酸表面传递于吸附碱，即：式中[B]a 和[BH+]a分别为未解的碱（碱指示剂）和共轭 酸的浓度。pKa是共轭酸BH+解离平衡常数的负 对数，类似pH。若转变是借助于吸附碱的电子 对移向固体酸表面，即
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1. 固体酸碱的定义和分类
固体酸：一般认为是能够化学吸附碱的固体， 也可以了解为能够使碱性指示剂在其上面改变 颜色的固体。固体酸又分为布朗斯特
（Brφnsted）酸和路易斯（Lewis）酸。前者 简称为B酸，后者简称为L酸。B酸B碱的定义为：
能够给出质子的都是酸，能够接受质子的都是
碱，所以B酸B碱又叫质子酸碱。L酸L碱的定义
土金属氧化物，或碱土金属与碱金属的 复合氧化物。
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3.重要的固体酸碱催化剂
碱土金属氧化物中的MgO、CaO和SrO2 是典型的固体碱催化剂。AlCl3、FeCl3是
典型的固体L酸催化剂。Al2O3有多种不同
的晶型变体。作为催化剂来说，最重要
的是γ- Al2O3和η- Al2O3两种，二者都系
Байду номын сангаас
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6.1 酸碱催化剂
石油炼制和石油化工是催化剂最大的应用领域， 在国民经济中占有重要地位。在石油炼制和石 油化工中，酸催化剂占有重要的地位。烃类的 催化裂化，芳烃和烯烃的烷基化，烯烃和二烯 烃的齐聚、共聚和高聚，烯烃的水合制醇和醇 的催化脱水等反应，都是在酸催化剂的作用下 进行的。工业上用的酸催化剂，多数是固体。 20世纪60年代以来，又发现一些新型的固体酸 催化剂，其中最有影响的是分子筛型催化剂， 其次是硫酸盐型酸性催化剂。
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4.均相酸碱催化反应机理和速 率方程
酸碱催化一般经过离子型的中间化合物，即经 过正碳离子或负碳离子进行的。例如
或 如，AlCl3(L酸)作用下的苯与卤代烃的反应（弗 -克反应），反应机理是
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AlCl3是路易斯酸，接受电子对产生正碳 离子，然后再按下式反应
׃ 在酸催化中包含了催化剂分子把质子转 移给反应物。因此催化剂的效率常与催 化剂的酸强度有关。在酸催化时，酸失 去质子的趋势可用它的离解常数来衡量
有缺陷的尖晶石结构。最稳定的是无水 的α- Al2O3，它是O=离子的六方最紧密堆 砌体，Al3+离子占据正八面位的2/3。各 种变型的Al2O3在1470℃以上熔化，最终 都转变为α- Al2O3。
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复合氧化物SiO2-Al2O3，TiO2占主要组分的TiO2-SiO2 的和SiO2占主要组分的SiO2- TiO2都是酸性催化剂。 ZnO-SiO2无论谁为主要组分都不具有酸性。Al2O3系 列二元氧化物中，用得较广泛的是MoO3/ Al2O3，加 氢脱硫和加氢脱氮催化剂，就是用Co或者Ni改性的 Al2O3- MoO3二元硫化物体系。Co-MoO3/ Al2O3或Ni-
MoO3/ Al2O3在Al2O3中原来只有L酸位，将MoO3引入 形成了B酸位，Co或Ni的引入是阻止L酸位的形成， 中等强度的L酸位在B酸位共存时有利于加氢脱硫的 活性。L酸位和B酸位共存，有时是协同效应；有时 L酸位在B酸位邻近的存在，主要是增强B酸位强度，
因此也就增加了它的催化活性。有的反应虽不为酸