第一章催化剂与催化作用1解析
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催化剂与催化作用第一章催化剂与催化作用基本知识
催化剂与催化作用第一章催化剂与催化作用基本知识催化剂是指能够改变化学反应速率但本身不参与反应的物质。
催化作用是通过催化剂为反应提供新的反应路径，降低反应的活化能，从而加快反应速率。
催化剂与催化作用是化学领域中的重要概念，本文将介绍催化剂与催化作用的基本知识。
一、催化剂的作用机理催化剂通过提供新的反应路径，降低反应的活化能，促进化学反应的进行。
催化剂表面上的活性位点与反应物分子发生相互作用，进而改变反应物的键能和键角，使得反应物易于发生化学反应。
催化剂不会消耗掉，而是在反应结束后可以从体系中分离出来，因此催化剂可以在许多次反应中重复使用。
二、催化剂的分类催化剂可以根据其所参与的反应类型进行分类，常见的催化剂有酸性催化剂、碱性催化剂和金属催化剂等。
1.酸性催化剂：酸性催化剂在催化作用中起到质子供给的作用，常见的酸性催化剂包括硫酸、盐酸、磷酸等。
酸性催化剂一般用于酸催化反应，如酯的酸催化水解反应、糖类的酸催化裂解反应等。
2.碱性催化剂：碱性催化剂在催化作用中起到电子供给或接受的作用。
碱性催化剂常见的有氢氧化钠、氢氧化钾等。
碱性催化剂一般用于碱催化反应，如酮类的否明反应、酮类的甲酰化反应等。
3.金属催化剂：金属催化剂可以通过改变反应物的电子结构或提供新的电子通道来促进反应。
常见的金属催化剂有铂、铁、铂铁等。
金属催化剂一般用于氧化还原反应、加氢反应等。
三、催化作用的特点1.催化作用能够提高反应速率，有时甚至可以达到数个数量级的效果。
2.催化剂可以对多种不同的反应起到催化作用，具有广泛的适应性。
3.催化剂与反应物之间的相互作用是可逆的，催化剂可以在多次反应中重复使用。
4.催化剂对反应的选择性较高，可以选择性地促进特定的反应。
四、催化剂的选择和设计催化剂的选择和设计是催化反应的关键步骤。
合适的催化剂可以提高反应速率，降低反应条件，并且具有良好的选择性。
1.催化剂的选择要考虑反应类型和反应物的特性。
不同类型的反应需要使用不同的催化剂，如酸催化反应使用酸性催化剂，氧化反应使用氧化剂催化剂等。
催化剂与催化作用基本.ppt
1.2.2 催化剂分类
• 1. 按元素周期律分类 • 主族元素：用做催化剂的主族元素多以化合物形式存
在。主族元素的氧化物、氢氧化物、卤化物等由于在 反应中容易形成离子键，主要用做酸碱型催化剂。
• 副族元素：无论是金属单质还是化合物，由于在反应 中容易得失电子，主要用做氧化还原型催化剂。特别 是第Ⅷ过渡族金属元素和它的化合物是最主要的金属 催化剂、金属氧化物催化剂和络合物催化剂。
• 如：烯烃与质子酸作用： CH2=CH2 + HA = H3C-CH2+ +A-（质子转移的结果）
•
烯烃若与路易斯酸作用也可生成正碳离子，它是通过形成π键合物并进一步
异裂为正碳离子，反机理可认为是催化剂与反应物分子间通过单个电 子转移，形成活性中间物种进行催化反应。
2. 按反应类型进行分类
这种分类方法不是着眼于催化剂，而是着眼于化学反应。因 为同一类型的化学反应具有一定共性，催化剂的作用也具有 某些相似之处，这就有可能用一种反应的催化剂来催化同类 型的另一反应。
3. 按反应机理进行分类
• （1）酸碱型催化反应：其机理可认为是催化剂与反应物分子之间通过电子对的 授受而配位，后者发生强烈极化，形成离子型活性中间物种进行的催化反应。
• 如：SO2和O2在催化剂NO作用下氧化为SO3的催化反应。
• （2）非均相（又称多相）催化反应：指反应物和催化剂居于不同相态 的反应。（扩散的影响）
• 如：乙烯与氧在负载银的固体催化剂上氧化生成环氧乙烷的反应。
• （3）酶催化反应：其特点是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。
催化剂与催化作用基础知识框架
催化剂与催化作用基础知识框架一、催化剂定义催化剂是一种能够加速化学反应的物质，而自身在反应前后质量和化学性质不发生改变。
这种物质被称为催化剂。
二、催化作用原理催化作用的核心原理是通过降低反应的能量障碍，从而加速反应的进行。
这种原理通常被称为“激活能”或“催化势”。
三、催化剂活性催化剂的活性通常用单位时间内单位质量催化剂所引起的反应量来表示。
活性是衡量催化剂效率的重要指标。
四、催化剂选择催化剂的选择通常需要考虑以下几个方面：催化剂的活性、稳定性、选择性、可回收性以及环境友好性等。
不同的化学反应需要不同类型的催化剂，因此了解催化剂的性质和选择标准是非常重要的。
五、催化剂制备催化剂的制备通常包括以下步骤：制备催化剂的原材料、制备催化剂的溶液或浆料、催化剂成核与生长、催化剂颗粒的大小与形态控制、催化剂的干燥和焙烧等。
制备工艺的不同会对催化剂的性能产生重要影响。
六、催化剂表征催化剂的表征主要包括对其物理化学性质以及结构特性的研究。
这些性质可以通过各种表征技术来研究，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、光谱技术等。
通过对这些表征结果的分析，可以了解催化剂的结构特点、活性组分及其分布情况等信息，为优化催化剂性能提供依据。
七、催化反应动力学催化反应动力学主要研究在一定温度压力条件下，反应物在催化剂表面的吸附和脱附速率以及反应在表面上的进行速率等。
这些研究可以帮助理解催化反应过程，并优化反应条件以提高反应效率。
八、催化应用催化应用广泛，如石油化工、煤化工、环保、生物医药、材料科学等领域。
在这些领域中，通过利用催化剂可实现能源的有效利用和环境保护。
例如，通过使用催化剂可以将石油中的重质组分转化为轻质油品，将煤炭气化成合成气等。
此外，在环保领域，通过使用催化剂可以处理废气、废水和固体废弃物等。
在生物医药领域，通过使用催化剂可以合成药物和生物材料等。
在材料科学领域，通过使用催化剂可以合成新型材料等。
催化作用与催化剂PPT课件
• 载体有天然的和人工合成的，可划分为低比表 面和高比表面两大类。
• 载体关系到催化剂的活性、选择性、热稳定性、 机械强度，也关系到催化过程的传质特性。
载体的功能
1、提供有效的表面和合适的孔结构； 2、增强催化剂的机械强度； 3、改善催化剂的热稳定性； 4、减少活性组分的含量； 5、提供附加的活性中心； 6、与活性组分之间的溢流现象和强相互作
反应物
催化剂对反应具有选择性
-实例
催化剂及反应条件
产物
CO+H2
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
合成氨的反应中，铁系催化剂可以单独作为主催化 剂，已成功工业化数十年，近年的研究证明，使用 Mo-Fe合金更好，合金中Mo含量在80%时其活性比 单独的Fe或Mo都高，这里Mo就是主催化剂，而Fe反 倒成了共催化剂
助催化剂(promoter)
• 助催化剂是加到催化剂中的少量物质 （<5~10%) ，是催化剂的辅助成分，本身没有 催化活性或活性很小。
本章主要内容
1
催化作用的定义
2
催化作用的特征
3
催化剂的组成
催化剂分类 4
催化剂的反应性性能及对工业催
5
化剂的要求
1
催化作用的定义
Catalysis: 1835~1836年，瑞典学者J.J.Berzelius提出，“cata” 意思是“down”,而“lysis”为动词，意思是分裂或者破坏，当时认 为:“一种催化剂是破坏阻碍化学反应进行的正常力。
• 载体关系到催化剂的活性、选择性、热稳定性、 机械强度，也关系到催化过程的传质特性。
载体的功能
1、提供有效的表面和合适的孔结构； 2、增强催化剂的机械强度； 3、改善催化剂的热稳定性； 4、减少活性组分的含量； 5、提供附加的活性中心； 6、与活性组分之间的溢流现象和强相互作
反应物
催化剂对反应具有选择性
-实例
催化剂及反应条件
产物
CO+H2
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
合成氨的反应中，铁系催化剂可以单独作为主催化 剂，已成功工业化数十年，近年的研究证明，使用 Mo-Fe合金更好，合金中Mo含量在80%时其活性比 单独的Fe或Mo都高，这里Mo就是主催化剂，而Fe反 倒成了共催化剂
助催化剂(promoter)
• 助催化剂是加到催化剂中的少量物质 （<5~10%) ，是催化剂的辅助成分，本身没有 催化活性或活性很小。
本章主要内容
1
催化作用的定义
2
催化作用的特征
3
催化剂的组成
催化剂分类 4
催化剂的反应性性能及对工业催
5
化剂的要求
1
催化作用的定义
Catalysis: 1835~1836年，瑞典学者J.J.Berzelius提出，“cata” 意思是“down”,而“lysis”为动词，意思是分裂或者破坏，当时认 为:“一种催化剂是破坏阻碍化学反应进行的正常力。
催化作用导论 第一章 催化作用基础
制环保催化剂。首先是排烟脱硫脱硝催化剂，以及内燃机排 气及焚烧炉排气处理催化剂。
1970年，开发出用于汽车尾气处理的贵金属催化剂（存 在的问题：寿命短，造价高）。
工业催化剂的成熟阶段
• 目前，有90％以上的化工过程使用催化剂。各催 化剂开发、生产公司的竞争也日趋激烈。同时， 超强固体酸、择形催化剂、纳米催化剂、炭纤维 等催化新材料也大量涌现。这一阶段，催化剂工 业应用和化工工艺日趋完善，同时，催化剂的基 础研究和工业催化剂性能均有了很大的提高，并 提出了催化剂设计的新概念，开始运用现代催化 理论来预测合适的工业催化剂新配方。
催化作用导论 第一章 催化作 用基础
吸附、脱附
催
催化反应过程
表面催化反应（因催化剂种类不同而异）
化
扩散过程
作
用
其它
原
理 催化剂的制备、表征、使用和设计开发
∕
∣
﹨﹨
沉淀法、凝胶法、
活性表征、 工业 结合所学的知识
熔融法、离子交换法等 催化剂结构 应用 和最新成果，进
（包括物理、
行研制开发
化学性质）
第一章 催化作用基础
化学动力学的两个基本定理：
• 质量作用定律：rkcAcB
•
Arrhenius公式：
k
Ae E RT
这种作用可通过碰撞理论和过渡态理论得到阐明。
碰撞理论要点： （1）气体分子A和B必须经过碰撞才能发生反应； （2）只有碰撞动能E大于某能量值Ec而足以翻越反
应能峰的那些分子才能发生反应； （3）反应速率等于单位时间单位体积内发生的碰撞
（2）这个活化络合物极不稳定，可分解为生成物， 也可分解为反应物；
（3）反应速率与下列因素有关： ① 活化配合物的浓度， ② 活化配合物分解的几率， ③ 活化配合物的分解速率。
1970年，开发出用于汽车尾气处理的贵金属催化剂（存 在的问题：寿命短，造价高）。
工业催化剂的成熟阶段
• 目前，有90％以上的化工过程使用催化剂。各催 化剂开发、生产公司的竞争也日趋激烈。同时， 超强固体酸、择形催化剂、纳米催化剂、炭纤维 等催化新材料也大量涌现。这一阶段，催化剂工 业应用和化工工艺日趋完善，同时，催化剂的基 础研究和工业催化剂性能均有了很大的提高，并 提出了催化剂设计的新概念，开始运用现代催化 理论来预测合适的工业催化剂新配方。
催化作用导论 第一章 催化作 用基础
吸附、脱附
催
催化反应过程
表面催化反应（因催化剂种类不同而异）
化
扩散过程
作
用
其它
原
理 催化剂的制备、表征、使用和设计开发
∕
∣
﹨﹨
沉淀法、凝胶法、
活性表征、 工业 结合所学的知识
熔融法、离子交换法等 催化剂结构 应用 和最新成果，进
（包括物理、
行研制开发
化学性质）
第一章 催化作用基础
化学动力学的两个基本定理：
• 质量作用定律：rkcAcB
•
Arrhenius公式：
k
Ae E RT
这种作用可通过碰撞理论和过渡态理论得到阐明。
碰撞理论要点： （1）气体分子A和B必须经过碰撞才能发生反应； （2）只有碰撞动能E大于某能量值Ec而足以翻越反
应能峰的那些分子才能发生反应； （3）反应速率等于单位时间单位体积内发生的碰撞
（2）这个活化络合物极不稳定，可分解为生成物， 也可分解为反应物；
（3）反应速率与下列因素有关： ① 活化配合物的浓度， ② 活化配合物分解的几率， ③ 活化配合物的分解速率。
催化剂与催化作用第一章催化剂与催化作用基本知识
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 CO+H2
催化剂及反应条件 Rh/Pt/SiO2，573K，7×106 Pa Cu-Zn-O，Zn-Cr-O，573K， 1.0133×107 ～2.0266×107 Pa Rh络合物，473～563K， 5.0665×107～3.0399×108 Pa Cu，Zn，493K，3×106 Pa Ni，473～573K，1.0133×105 Pa Co，Ni，473K，1.0133×105 Pa
反应举例
自旋饱和分子或固体物质
自旋不饱和的分子或固体物质
酸，碱，盐，氧化物，分子筛
过渡金属，过渡金属氧（硫）化物，过渡 金属盐，金属有机络合物
裂解，水合，酯化，烷基化，歧化， 加氢，脱氢，氧化，氨氧化 异构化
按反应机理进行分类的方法反映了催化剂与反应物分子作用的实质。但是，由于催化作用 的复杂性，对有些反应难以将二者截然分开，有些反应又同时兼备二种机理，如铂重整反应。
载体
——主催化剂和助催化剂的分散剂、粘合剂和支撑体。
➢ 分散作用 ➢ 稳定化作用 ➢ 支撑作用 ➢ 传热和稀释作用 ➢ 助催化作用
工业催化剂大多数采用固体催化剂，而固体催化剂通常是由多组元组成的，要严格区 别每个组元的单独作用是很困难的。
人们所观察到的催化性能，常常是这些组元间相互作用所表现的总效应。可认为是催化剂与反应物分子之间通过电子对的授受而配位，或者发生强烈极化， 形成离子型活性中间物种进行的催化反应。
如：烯烃与质子酸作用，烯烃双键发生非均裂，与质子配位形成-碳碳键，生成正碳离子：
C H 2 C H 2 + H AH 3 C C H 2 + + A -
例如，用Al2O3做载体时活性组分MoO3对载体Al2O3结构稳定性有不良影响，当加入适量 SiO2时可使载体Al2O3 结构稳定有时也可加入少量CaO，与活性组分MoO3形成CaMoO4，从 而减少活性组分MoO3对载体的影响。
第一章_(总)催化剂与催化作用基础知识
分子筛
(活性组分)
基质 （载体）
•催化材料本身就是催化剂
粘结剂
催化剂 •新催化材料引导催化技术的突破性进展！
催化剂实验室发现与商业化应用
固体催化剂的组成
–主催化剂 –共催化剂 –助催化剂 –载体
主催化剂
主催化剂又称为活性组分，它是多组元催化剂中的 主体，是必须具备的组分，没有它就缺乏所需要的 催化作用。 例如，加氢常用的Ni／Al2O3催化剂，其中Ni为主 催化剂，没有Ni就不能进行加氢反应。 有些主催化剂是由几种物质组成，但其功能有所不 同，缺少其中之一就不能完成所要进行的催化反应。 如重整反应所使用的Pt／Al2O3催化剂，Pt和 Al2O3均为主催化剂，缺少其中任一组分都不能进 行重整反应。这种多活性组分使催化剂具有多种催 化功能，所以又称之为双功能(多功能)催化剂。
催化剂分类
按元素周期律分类： 金属催化剂（Ni, Fe, Cu, Pt, Pd…等过渡金属 或贵金属) 金属氧化物催化剂和金属硫化物催化剂(多为 半导体) TiO2、 La2O3、CeO2、MoO3、 MoS 等 酸碱催化剂（ SiO2-A12O3、WO3/ZrO2、各类 分子筛等 ） 金属配合物催化剂（MLn) 双功能催化剂（Pt/SiO2-A12O3； Pt（Pd)/分子 筛；MgO-SiO2 ）
能否打破热力学平衡？ 答案是肯定的！利用催化膜技术是未来的希望
催化剂不能改变平衡位置 -实例（2）
催化剂不能改变平衡位置 -实例（3）
催化作用通过改变反应历程 而改变反应速度
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。 有少数反应不是通过改变反应活化能加速化学 反应的，而是通过改变指前因子加速化学反应 （提高碰撞次数）。例如甲酸分解反应，用玻 璃和铑二种催化剂的反应活化能分别为 102.4kJ/mol和104.5kJ/mol，二者极其接 近，然而铑为催化剂的分解速率是玻璃的一万 倍。
(活性组分)
基质 （载体）
•催化材料本身就是催化剂
粘结剂
催化剂 •新催化材料引导催化技术的突破性进展！
催化剂实验室发现与商业化应用
固体催化剂的组成
–主催化剂 –共催化剂 –助催化剂 –载体
主催化剂
主催化剂又称为活性组分，它是多组元催化剂中的 主体，是必须具备的组分，没有它就缺乏所需要的 催化作用。 例如，加氢常用的Ni／Al2O3催化剂，其中Ni为主 催化剂，没有Ni就不能进行加氢反应。 有些主催化剂是由几种物质组成，但其功能有所不 同，缺少其中之一就不能完成所要进行的催化反应。 如重整反应所使用的Pt／Al2O3催化剂，Pt和 Al2O3均为主催化剂，缺少其中任一组分都不能进 行重整反应。这种多活性组分使催化剂具有多种催 化功能，所以又称之为双功能(多功能)催化剂。
催化剂分类
按元素周期律分类： 金属催化剂（Ni, Fe, Cu, Pt, Pd…等过渡金属 或贵金属) 金属氧化物催化剂和金属硫化物催化剂(多为 半导体) TiO2、 La2O3、CeO2、MoO3、 MoS 等 酸碱催化剂（ SiO2-A12O3、WO3/ZrO2、各类 分子筛等 ） 金属配合物催化剂（MLn) 双功能催化剂（Pt/SiO2-A12O3； Pt（Pd)/分子 筛；MgO-SiO2 ）
能否打破热力学平衡？ 答案是肯定的！利用催化膜技术是未来的希望
催化剂不能改变平衡位置 -实例（2）
催化剂不能改变平衡位置 -实例（3）
催化作用通过改变反应历程 而改变反应速度
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。 有少数反应不是通过改变反应活化能加速化学 反应的，而是通过改变指前因子加速化学反应 （提高碰撞次数）。例如甲酸分解反应，用玻 璃和铑二种催化剂的反应活化能分别为 102.4kJ/mol和104.5kJ/mol，二者极其接 近，然而铑为催化剂的分解速率是玻璃的一万 倍。
催化剂与催化作用金属氧化物催化剂解析PPT教案
概述
金属催化剂的应用 金属氧化物主要催化烃类的选择性氧化。 特点：反应系高放热的，有效的传热、传质十分重要，
要考虑催化剂的飞温；有反应爆炸区存在，故在条件上有 所谓“燃料过剩型”或“空气过剩型”两种；这类反应的 产物，相对于原料或中间物要稳定，故有所谓“急冷措 施”，以防止进一步反应或分解；为了保持高选择性，常 在低转化率下操作，用第二反应器或原料循环等。
概述
金属催化剂作用和功能
有的组分是主催化剂，有的为助催化剂或者载 体。主催化剂单独存在时就有活性，如MoO3Bi2O3中的MoO3；助催化剂单独存在时无活性或 很少活性，但能使主催化剂活性增强，如Bi2O3 就是。
助催化剂可以调变生成新相，或调控电子迁移 速率，或促进活性相的形成等。依其对催化剂 性能改善的不同，有结构助剂，抗烧结助剂，
概述
氧化用的氧化物催化剂，
① 晶格氧：过渡金属氧化物，易从其晶格中传递出氧给反应 物分子。组成含2种以上且价态可变的阳离子，属非计量 化合物，晶格中阳离子常能交叉互溶，形成相当复杂的结 构。
② 化学吸附氧：金属氧化物，用于氧化的活性组分为化学吸 附型氧物种，吸附态可以是分子态、原子态乃至间隙氧 （Interstitial Oxygen）。
复合氧化物催化剂的结构
（2）钙钛矿结构 这是一类化合物，其晶格结构类似于矿物CaTiO3，是可用通式ABO3表示的氧
化物。A是一个大的阳离子，B是一个小的阳离子。在高温下钙钛矿型结构的 单位晶胞为正立方体，A位于晶胞的中心，B位于正立方体顶点。此中A的配 位数为12,B的配位数为6.
结构要求：
③ 吸附氧化层氧：原态不是氧化物，而是金属，但其表面吸
附氧形成氧化层，如Ag对乙烯的氧化，对甲醇的氧化，Pt
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催化剂与催化作用 Catalyst And Catalysis
李言信 化学与化工学院 liyanxin04@ QQ：50202106
1
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第一章 催化剂与催化作用基础知识 第二章 催化剂的表面吸附和孔内扩散 第三章 酸碱催化剂及催化作用 第四章 金属催化剂及其催化作用 第五章 过渡金属氧化物催化剂及其催化作用 第六章 络合催化剂及其催化作用 第七章 催化剂的选择、制备、使用与再生 第八周 环境催化
催化剂是一类能改变化学反应速度而在反应中自 身并不消耗（质量和性质不发生变化）的物质。
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。
催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。
5
1.1.2 催化作用不能改变化学平衡
① 三聚乙醛 乙醛 反应条件 60.5 ℃
C6H6(l) + CO(g) = C6H6CHO(l)
△G 0298 = 8.63 kJ
加入 AlCl3 C6H6(l) + CO(g) + AlCl3(s) = C6H6CHO· AlCl3(s) △G 0298 = －1.67 kJ 络合物形成，标准自由能变化。 AlCl3不是催化剂。 AlCl3 C6H6 ＋RCl C6H5 R ＋ HCl
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 6 平均 8.19
① 催化剂不影响平衡常数
平衡时 △G 0 = －RT lnKα △G 0 催化 = △G 0 非催化 H2(g) + 0.5 O2 (g) = H2O (g) △G 0298 = - 228.6 kJ/mol 当H2和O2于200℃下混合时，并没有H2O(g)生成;
无催化剂时活化能 ：334.6 kJ/ mol (速度极慢)
NH3*
NH3 + *
13
有催化剂时活化能 ：70 kJ/ mol
使合成氨实现工业生产 14
500℃ 常压 500℃ 常压
无催化剂 Fe催化剂
334.6 kJ/ mol 70 kJ/ mol
大型合成氨厂： 压力： 20 ~ 35 MPa 温度： 400 ~ 500 ℃ 催化剂： Fe / K / CaO / Al2O3
而在相同的条件下，加入少量的Cu，则有H2O(g)生成。
Cu + ½ O2 = CuO CuO + H2 = H2O + Cu H2 + ½ O 2 = 催化剂循环过程 △G 0 ＜ 0 CuO H2
7
H2O Cu H2O
½ O2
注：若一种物质，加入反应体系后，使 △G 0 有了改变， 就不能被看作是催化剂。
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。 第二，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。
11
1.1.3催化作用改变反应历程而改变反应速度
例1：四价铈离子氧化一价铊离子的反应，Cat：Mn2+ 。 无催化剂时： 2Ce4+ + Tl+ 2Ce3+ + Tl3+ 按碰撞理论，该反应发生三分子碰撞，几率较小，速度很慢。 加催化剂Mn2+后： Ce4+ + Mn2+ Mn3+ + Ce4+ Mn4+ + Tl+
2
第一章 催化剂与催化作用基本知识
Principle of catalyst and catalysis
3
主要内容
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
4
1.1.1催化剂和催化作用 (Catalyst and Catalysis)
Ce3+ + Mn3+ Mn4+ + Ce3+ Mn2+ + Tl3+
双分子碰撞的几率较三分子碰撞的几率大约：1018~1022倍。
12
催化剂在工业催化合成氨工艺中的应用
例2： N2 ＋ 3H2 加Fe催化剂的活化能： N2 + 2* H2 + 2* N* + H* NH* + H* NH2* + H* 2N* 需要活化能：31 kJ/ mol。 2H* NH* + * NH2* + * NH3* + * 2NH3
2HI = I2 + H2 2N2O = 2N2 + O2
E非催化
184 245
E催化
59 105 134 121
△E
-125 -79 -111 -124
催化剂
Pt Au O2 = 2SO3 251 110.8 83.6 197 2NH3 = N2 +3 H2 335 134~176
9
可逆反应 根据微观可逆 原理，假如一个 催化反应是可逆 的，则一个加速 正反应速率的催 化剂也应加速逆 反应速率，以保 持 K平不变（K平 ＝ k正/k逆）。 也就是说：同样一个能加速正反应速率控制步骤 的催化剂也应该能加速逆反应速率。
10
问题1：实际工业上催化正反应、逆反应时为 什么往往选用不同的催化剂？
15
催化剂改变反应历程意味着
1、催化剂参与反应物之间的化学反应 2、通过反应历程改变使化学反应的所需克服的 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。
16
实验结果
非催化和催化反应的活化能（kJ/mol） 反 应
-192
-140.2 -167.4 -138 -201~159
Pt
NO2 V2O5 Os Mo
8
② k正与k逆 有相同的增加倍数
Ka = k正 / k逆
催化剂不改变Ka
推论：催化剂在改变正反应速度常数时，也必须以
相同的倍数提高逆反应速度。
例： C6H6 ＋ 3H2
Pt ，Pd，Ni Pt ，Pd，Ni 200～240℃ 260～300℃
C6H12
苯完全加氢生成环己烷； 环己烷则脱氢生成苯。
李言信 化学与化工学院 liyanxin04@ QQ：50202106
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第一章 催化剂与催化作用基础知识 第二章 催化剂的表面吸附和孔内扩散 第三章 酸碱催化剂及催化作用 第四章 金属催化剂及其催化作用 第五章 过渡金属氧化物催化剂及其催化作用 第六章 络合催化剂及其催化作用 第七章 催化剂的选择、制备、使用与再生 第八周 环境催化
催化剂是一类能改变化学反应速度而在反应中自 身并不消耗（质量和性质不发生变化）的物质。
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。
催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。
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1.1.2 催化作用不能改变化学平衡
① 三聚乙醛 乙醛 反应条件 60.5 ℃
C6H6(l) + CO(g) = C6H6CHO(l)
△G 0298 = 8.63 kJ
加入 AlCl3 C6H6(l) + CO(g) + AlCl3(s) = C6H6CHO· AlCl3(s) △G 0298 = －1.67 kJ 络合物形成，标准自由能变化。 AlCl3不是催化剂。 AlCl3 C6H6 ＋RCl C6H5 R ＋ HCl
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 6 平均 8.19
① 催化剂不影响平衡常数
平衡时 △G 0 = －RT lnKα △G 0 催化 = △G 0 非催化 H2(g) + 0.5 O2 (g) = H2O (g) △G 0298 = - 228.6 kJ/mol 当H2和O2于200℃下混合时，并没有H2O(g)生成;
无催化剂时活化能 ：334.6 kJ/ mol (速度极慢)
NH3*
NH3 + *
13
有催化剂时活化能 ：70 kJ/ mol
使合成氨实现工业生产 14
500℃ 常压 500℃ 常压
无催化剂 Fe催化剂
334.6 kJ/ mol 70 kJ/ mol
大型合成氨厂： 压力： 20 ~ 35 MPa 温度： 400 ~ 500 ℃ 催化剂： Fe / K / CaO / Al2O3
而在相同的条件下，加入少量的Cu，则有H2O(g)生成。
Cu + ½ O2 = CuO CuO + H2 = H2O + Cu H2 + ½ O 2 = 催化剂循环过程 △G 0 ＜ 0 CuO H2
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H2O Cu H2O
½ O2
注：若一种物质，加入反应体系后，使 △G 0 有了改变， 就不能被看作是催化剂。
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。 第二，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。
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1.1.3催化作用改变反应历程而改变反应速度
例1：四价铈离子氧化一价铊离子的反应，Cat：Mn2+ 。 无催化剂时： 2Ce4+ + Tl+ 2Ce3+ + Tl3+ 按碰撞理论，该反应发生三分子碰撞，几率较小，速度很慢。 加催化剂Mn2+后： Ce4+ + Mn2+ Mn3+ + Ce4+ Mn4+ + Tl+
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第一章 催化剂与催化作用基本知识
Principle of catalyst and catalysis
3
主要内容
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
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1.1.1催化剂和催化作用 (Catalyst and Catalysis)
Ce3+ + Mn3+ Mn4+ + Ce3+ Mn2+ + Tl3+
双分子碰撞的几率较三分子碰撞的几率大约：1018~1022倍。
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催化剂在工业催化合成氨工艺中的应用
例2： N2 ＋ 3H2 加Fe催化剂的活化能： N2 + 2* H2 + 2* N* + H* NH* + H* NH2* + H* 2N* 需要活化能：31 kJ/ mol。 2H* NH* + * NH2* + * NH3* + * 2NH3
2HI = I2 + H2 2N2O = 2N2 + O2
E非催化
184 245
E催化
59 105 134 121
△E
-125 -79 -111 -124
催化剂
Pt Au O2 = 2SO3 251 110.8 83.6 197 2NH3 = N2 +3 H2 335 134~176
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可逆反应 根据微观可逆 原理，假如一个 催化反应是可逆 的，则一个加速 正反应速率的催 化剂也应加速逆 反应速率，以保 持 K平不变（K平 ＝ k正/k逆）。 也就是说：同样一个能加速正反应速率控制步骤 的催化剂也应该能加速逆反应速率。
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问题1：实际工业上催化正反应、逆反应时为 什么往往选用不同的催化剂？
15
催化剂改变反应历程意味着
1、催化剂参与反应物之间的化学反应 2、通过反应历程改变使化学反应的所需克服的 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。
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实验结果
非催化和催化反应的活化能（kJ/mol） 反 应
-192
-140.2 -167.4 -138 -201~159
Pt
NO2 V2O5 Os Mo
8
② k正与k逆 有相同的增加倍数
Ka = k正 / k逆
催化剂不改变Ka
推论：催化剂在改变正反应速度常数时，也必须以
相同的倍数提高逆反应速度。
例： C6H6 ＋ 3H2
Pt ，Pd，Ni Pt ，Pd，Ni 200～240℃ 260～300℃
C6H12
苯完全加氢生成环己烷； 环己烷则脱氢生成苯。