催化作用与催化剂
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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。”
C5、 C6正、异构体热力学平衡组成
催化剂也同时加速逆反应速率
• 根据Kp=K正/K逆，既然不能改变平衡常数，它必 然以相同的比例加速正、逆反应的速率常数。这 个推论具有重要意义。
• 对于可逆反应，能催化正方向反应的催化剂，就 应该能催化逆方向的反应。例如，脱氢反应的催 化剂同时也是加氢反应的催化剂，水合反应的催 化剂同时也是脱水反应的催化剂。这条规则对选 择催化剂很有用。
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
一、 化学反应的本质
化学反应是反应物分子发生电子云 的重新排布，实现化学键的断裂和形成， 而转化为反应产物。在旧键断裂和新键形 成的过程中，一般需要一定的活化能 (Ea) 。
活化能(Ea)
• Arrhenius经验方程：
kr Ae(Ea / RT )
当活化能较大，反应温度又较低时， 仅有少数反应物分子具有足够能量而成 为活化分子参与反应，其反应速率往往 是很慢的。
其中KP为反应的平衡常数，G0是产物与反应物 的标准自由焓之差，是状态函数，只决定于过 程的始终态，而与过程无关，催化剂的存在不 影响G0值，它只能加速达到平衡所需的时间， 而不能移动平衡点。
不能改变平衡的位置的例子 乙苯脱氢制苯乙烯
催化剂不能改变平衡位置 -实例
乙苯脱氢制苯乙烯，在600℃常压、乙苯 与水蒸汽摩尔比为1：9时，按平衡常数 计算，达到平衡后苯乙烯的最大产率为 72.3％，这是平衡产率，是热力学所预示 的反应限度。为了尽可能实现此产率， 可选择良好催化剂以使反应加速。但在 反应条件下，要想用催化剂使苯乙烯产 率超过72.8％是不可能的。
• 有催化剂存在下，在催化剂表面发生了如下所示的一系 列表面作用过程，最后生成了氨分子。催化反应的速率 控制步骤是氮解离步骤，该步的活化能~70 kJ/mol 。
• 催化剂为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径。 不同的催化剂的催化反应活化能可能不同。
N2+3H2=2NH3的催化反应途径
催化作用的特征（1）
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
乙醇 甲醇
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa 乙二醇
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
百度文库 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。
– 在开发一种新的化学反应的催化剂时，首先 要对该反应体系进行热力学分析，看在给定 的条件下是否属于热力学上可行的反应。
催化作用的特征（2）
• 催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变平衡 的位置（平衡常数）。
• 化学平衡是由热力学决定的 G0＝—RT1nKP ，
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。
Cu,Zn,493K, 3×106Pa Ni, 473～573K, 1.0133×105Pa Co,Ni, 473K, 1.0133×105Pa
不能改变平衡的位置的另一例子 烷烃异构化
不同异构体的辛烷值不相同
62 RON 31 RON
93 RON 74 RON
104 RON
75 RON
94 RON
辛烷值的定义
• 辛烷值：汽油在汽油机中燃烧时的抗震性指标 。 • 汽油辛烷值大，抗震性好，质量也好。
• 常以标准异辛烷值规定为100，正庚烷的辛烷 值规定为0，这两种标准燃料以不同的体积比 混合起来，可得到各种不同的抗震性等级的混 合液，在发动机工作相同条件下，与待测燃料 进行对比。抗震性与样品相等的混合液中所含 异辛烷百分数，即为该样品的辛烷值。
降低反应的活化能
①不仅可以提高反应速率；
②而且可以控制反应进行的方向。
对于具有几个反应方向的反应体 系来说，如果较大幅度降低主反应的 活化能，可使反应主要向主反应方向 发生，即可以控制反应进行的方向。
使用催化剂是通过 降低反应活化能来提高 反应速率和控制反应方 向的最有效办法。
• 对于N2+3H2=2NH3反应，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。
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。”
C5、 C6正、异构体热力学平衡组成
催化剂也同时加速逆反应速率
• 根据Kp=K正/K逆，既然不能改变平衡常数，它必 然以相同的比例加速正、逆反应的速率常数。这 个推论具有重要意义。
• 对于可逆反应，能催化正方向反应的催化剂，就 应该能催化逆方向的反应。例如，脱氢反应的催 化剂同时也是加氢反应的催化剂，水合反应的催 化剂同时也是脱水反应的催化剂。这条规则对选 择催化剂很有用。
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
一、 化学反应的本质
化学反应是反应物分子发生电子云 的重新排布，实现化学键的断裂和形成， 而转化为反应产物。在旧键断裂和新键形 成的过程中，一般需要一定的活化能 (Ea) 。
活化能(Ea)
• Arrhenius经验方程：
kr Ae(Ea / RT )
当活化能较大，反应温度又较低时， 仅有少数反应物分子具有足够能量而成 为活化分子参与反应，其反应速率往往 是很慢的。
其中KP为反应的平衡常数，G0是产物与反应物 的标准自由焓之差，是状态函数，只决定于过 程的始终态，而与过程无关，催化剂的存在不 影响G0值，它只能加速达到平衡所需的时间， 而不能移动平衡点。
不能改变平衡的位置的例子 乙苯脱氢制苯乙烯
催化剂不能改变平衡位置 -实例
乙苯脱氢制苯乙烯，在600℃常压、乙苯 与水蒸汽摩尔比为1：9时，按平衡常数 计算，达到平衡后苯乙烯的最大产率为 72.3％，这是平衡产率，是热力学所预示 的反应限度。为了尽可能实现此产率， 可选择良好催化剂以使反应加速。但在 反应条件下，要想用催化剂使苯乙烯产 率超过72.8％是不可能的。
• 有催化剂存在下，在催化剂表面发生了如下所示的一系 列表面作用过程，最后生成了氨分子。催化反应的速率 控制步骤是氮解离步骤，该步的活化能~70 kJ/mol 。
• 催化剂为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径。 不同的催化剂的催化反应活化能可能不同。
N2+3H2=2NH3的催化反应途径
催化作用的特征（1）
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
乙醇 甲醇
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa 乙二醇
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
百度文库 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。
– 在开发一种新的化学反应的催化剂时，首先 要对该反应体系进行热力学分析，看在给定 的条件下是否属于热力学上可行的反应。
催化作用的特征（2）
• 催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变平衡 的位置（平衡常数）。
• 化学平衡是由热力学决定的 G0＝—RT1nKP ，
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。
Cu,Zn,493K, 3×106Pa Ni, 473～573K, 1.0133×105Pa Co,Ni, 473K, 1.0133×105Pa
不能改变平衡的位置的另一例子 烷烃异构化
不同异构体的辛烷值不相同
62 RON 31 RON
93 RON 74 RON
104 RON
75 RON
94 RON
辛烷值的定义
• 辛烷值：汽油在汽油机中燃烧时的抗震性指标 。 • 汽油辛烷值大，抗震性好，质量也好。
• 常以标准异辛烷值规定为100，正庚烷的辛烷 值规定为0，这两种标准燃料以不同的体积比 混合起来，可得到各种不同的抗震性等级的混 合液，在发动机工作相同条件下，与待测燃料 进行对比。抗震性与样品相等的混合液中所含 异辛烷百分数，即为该样品的辛烷值。
降低反应的活化能
①不仅可以提高反应速率；
②而且可以控制反应进行的方向。
对于具有几个反应方向的反应体 系来说，如果较大幅度降低主反应的 活化能，可使反应主要向主反应方向 发生，即可以控制反应进行的方向。
使用催化剂是通过 降低反应活化能来提高 反应速率和控制反应方 向的最有效办法。
• 对于N2+3H2=2NH3反应，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。