《工業(yè)催化原理》第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念

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1、第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念主要內(nèi)容：催化劑及催化作用基礎(chǔ)；催化劑的組成和催化反應(yīng)類型；催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域；工業(yè)催化的常用術(shù)語(yǔ)?；べY源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1第一節(jié)催化劑及催化作用基礎(chǔ)催化劑和催化作用：何謂催化劑？先看一個(gè)例子：通常情況下，將N2分子和H2分子混合在一個(gè)惰性的容器中。即使在500℃下，也幾乎檢測(cè)不到NH3的生成。雖然N2分子和H2分子化合生成NH3是一個(gè)熱力學(xué)允許的可逆放熱反應(yīng)：N2+3H2?NH3ΔH500＝－109kJ/mol但如果在N2分子和H2分子混合氣體的體系中加入少量的Fe就會(huì)有NH3生成，其中Fe就稱為催化劑，對(duì)NH3

2、的生成起著關(guān)鍵的作用?；べY源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2Fe的催化作用本質(zhì)：（1）沒(méi)有催化劑，N2分子和H2分子化合生成NH3是一個(gè)均相的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，要經(jīng)過(guò)N2分子的N－N鍵和H2分子的H－H鍵斷裂和N－H鍵的形成，N2分子和H2分子都非常穩(wěn)定，經(jīng)均相化學(xué)反應(yīng)合成NH3需要很大的能量，即反應(yīng)的活化能很高（在500℃，常壓條件下活化能為334.6kJ/mol），在這種情況下，反應(yīng)極慢，以至于生成NH3的量甚微，常規(guī)方法都難以測(cè)出?；べY源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3第一節(jié)催化劑及催化作用基礎(chǔ)（2）采用Fe作為催化劑時(shí)，N2分子和H2分子化合生成NH3的活化能

3、大大降低了（反應(yīng)途徑發(fā)生了變化）。N2分子和H2分子首先在Fe催化劑表面發(fā)生化學(xué)吸附，使得N2分子和H2分子的化學(xué)鍵削弱，然后化學(xué)吸附的氮（Nad）和化學(xué)吸附的氫（Had）在催化劑表面相互作用，并經(jīng)過(guò)一系列的表面化學(xué)反應(yīng)，最后生成的NH3分子從催化劑表面脫附生成產(chǎn)物NH3，反應(yīng)途徑、反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過(guò)程的能量關(guān)系如下：合成NH3反應(yīng)途徑：化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4第一節(jié)催化劑及催化作用基礎(chǔ)反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過(guò)程的能量如下：化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室5ReactionsatSurfaces:FromAtomstoComplexity(NobelLec

4、ture)byGerhardErtlAngew.Chem.Int.Ed.2008,47,3524–3535第一節(jié)催化劑及催化作用基礎(chǔ)催化劑定義1981年，國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）對(duì)催化劑有一個(gè)明確的定義。即：催化劑是一種物質(zhì)，它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化；此過(guò)程稱為催化作用，涉及催化劑的反應(yīng)稱為催化反應(yīng)。化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6第一節(jié)催化劑及催化作用基礎(chǔ)催化劑的基本特征1、催化劑只能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)可行的反應(yīng)，不能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)不可能的反應(yīng)；2、催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，不能改變化學(xué)平衡的位置；3、催

5、化劑能降低反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)的歷程；4、催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性。第二節(jié)催化劑組成和催化反應(yīng)類型催化劑組成1、主催化劑：催化劑的主要活性組分，起催化作用的根本性物質(zhì)，如合成氨催化劑的鐵，催化劑中若沒(méi)有活性組分存在，那么就不可能有催化作用?；べY源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室72、助催化劑：催化劑中具有提高活性組分的催化活性和選擇性的組分，以及改善催化劑的耐熱性、抗毒性，提高催化劑機(jī)械強(qiáng)度和壽命的組分。(1)電子助劑：其主要作用是改變主催化劑的電子狀態(tài)，從而使反應(yīng)分子的化學(xué)吸附能力和反應(yīng)的總活化能都發(fā)生改變，提高催化性能。(2)結(jié)構(gòu)助劑：其主要作用是穩(wěn)定催化

6、劑結(jié)構(gòu)，使催化活性物質(zhì)粒度變小、比表面積增大，防止催化劑燒結(jié)而降低活性等。第二節(jié)催化劑組成和催化反應(yīng)類型3、催化劑載體：主要是負(fù)載催化活性組分的作用，還具有提高催化劑比表面積、提供適宜的孔結(jié)構(gòu)、改善活性組分的分散性、提高催化劑機(jī)械強(qiáng)度、提高催化劑穩(wěn)定性等多種作用?；べY源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室8部分載體的比表面和比孔容載體比表面（m2/g）比孔容（cm3/g）硅膠200～8000.2～4.0γ-Al2O3150～3000.3～1.2α-Al2O3＜100.03～0.3絲光沸石～600～0.17活性炭50～15000.32～2.6硅藻土2～300.5～6

7、.1高嶺土～140～0.31催化反應(yīng)分類（1）按物相分：多相催化：指催化劑與反應(yīng)物處于不同物相發(fā)生的催化反應(yīng)，化學(xué)工業(yè)上以多相催化居多。均相催化：指催化劑與反應(yīng)物處于相同物相發(fā)生的催化反應(yīng)，以溶液中金屬有機(jī)化合物為催化劑的催化反應(yīng)居多?；べY源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室9第二節(jié)催化劑組成和催化反應(yīng)類型（2）按反應(yīng)機(jī)理分：酸堿催化反應(yīng)：是催化劑與反應(yīng)物分子之間通過(guò)電子對(duì)的授受而配位，或者發(fā)生強(qiáng)烈極化，形成離子型活性中間物種進(jìn)行的催化反應(yīng)。氧化還原催化反應(yīng)：是催化劑與反應(yīng)物分子間通過(guò)電子轉(zhuǎn)移，形成活性中間物種進(jìn)行催化反應(yīng)。催化劑:現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石90％以上的

8、化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)出的，沒(méi)有催化劑，就不可能建立現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。如：無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)中的合成氨