催化作用与催化剂.ppt

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1、第二章催化作用与催化剂催化作用的定义1催化作用的特征2催化剂的组成3催化剂分类4本章主要内容催化剂的反应性性能及对工业催化剂的要求5Catalysis: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。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

2、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。”催化作用的定义1一、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：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。活化能

3、(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

4、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。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，~334kJ/mol。此条件下反应速度极慢，竞不能觉察出氨的生成。有催化剂存在下，在催化剂表面发生了如

5、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~70kJ/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）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

6、学决定的G0＝—RT1nKP，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

7、烯产率超过72.8％是不可能的。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。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

8、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。催化作用的特