催化化学
催化化学。。。。(DOC)
第一章催化简史1、催化剂这一概念历史上最早是由哪个国家的哪位科学家于何年何刊物中正式提出的？答：1836年，瑞典科学家贝采利乌斯（J.J.Berzelius）在《物理学与化学年鉴》中首次提出“催化剂”这一概念。
2、催化剂的本质是什么？它最早由哪个国家的哪位科学家于何年提出？答：催化剂的本质是降低化学反应的活化能，把一个比较难发生的反应变成了两个很容易发生的化学反应。
在这两个反应中，第一个反应中催化剂扮演反应物的角色，第二个反应中催化剂扮演生成物的角色，所以说从总的反应方程式上来看，催化剂在反应前后没有变化。
3、工业合成氨催化剂的主要成分有哪些？历史上由于合成氨催化剂和工业化研究而获得诺贝尔化学奖的科学家是哪个国家的哪两位？答：工业合成氨催化剂为铁触媒，其主要成分为Fe、Al2O3、K2O，由于合成氨催化剂和工业化研究，德国科学家哈伯（F.Haber）获得1919年诺贝尔化学奖，博什（C.Bosch）获得1931年诺贝尔化学工程、高压设备奖。
4、合成高压低密度聚乙烯的催化剂历史上是由谁最早发明的？其主要组成为何？答：合成高压低密度聚乙烯的催化剂历史上是由德国科学家齐格勒（K.Ziegler）最早发明的，其主要组成为四氯化钛-三乙基铝[TiCl4-Al(C2H5)3]。
5、历史上最早模仿合成高压低密度聚乙烯的催化剂而发明聚丙烯合成催化剂的是哪个国家的哪位科学家。
他所发明的聚丙烯催化剂的组成为何？答：历史上最早模仿合成高压低密度聚乙烯的催化剂而发明聚丙烯合成催化剂的是意大利科学家纳塔（G.Natta），他所发明的聚丙烯催化剂的组成为三氯化钛-三乙基铝[TiCl3-Al(C2H5)3]。
第二章催化剂与催化作用1、什么是催化剂？什么是催化作用？催化作用的本质是什么？催化作用的特征主要有哪四个方面？答：催化剂是这样一种物质，由于它的存在，使化学反应趋于平衡的速度大大加快了，而它本身的组成、数量在反应前后没有发生变化。
催化化学复习
1.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;2.催化剂的组成：主催化剂,共催化剂,助催化剂,载体;主催化剂又称活化组分,是多元催化剂中的主体,是必须具备的组分,没有它就缺乏所需要的催化作用;共催化剂是和主催化剂同时起催化作用的物质,二者缺一不可;助催化剂是加到催化剂中的少量物质,这种物质本身没有活性或者活性很小,甚至可以忽略,但却能显着地改善催化剂效能,包括催化剂活性、选择性和稳定性等;载体是主催化剂和助催化剂的分散剂、粘合剂、支撑体;3.催化剂反应性能好坏的指标：包括催化剂的活性、选择性、稳定性;4.催化剂的稳定性：是催化剂在使用条件下具有稳定活性的时间;包括化学稳定性、耐热稳定性、抗毒稳定性、机械稳定性;5.物理吸附：是靠分子间作用力,即范德华力实现的,由于这种作用力较弱,对分子结构影响不大,可把物理吸附看成凝聚现象;6.化学吸附：是气固分子相互作用,改变了吸附分子的键合状态,吸附中心和吸附质之间发生了电子的重新调整和再分配;化学吸附属于化学键力;由于这种作用力强,对分子吸附分子的结构有较大影响,可以把化学吸附看成是化学反应;方程依据的模型：a吸附剂表面是均匀的,各吸附中心能量相同,b吸附分子间无相互作用,c吸附是单分子层吸附,其吸附分子与吸附中心碰撞才能吸附,一个分子只占据一个吸附中心,d一定条件下,吸附与脱附可建立动态平衡;等温方程：根据物理吸附的多分子层吸附,假设a固体表面是均匀的,自由表面对所有分子的吸附机会相等,分子的吸附、脱附不受其他分子存在的影响;B固体表面与气体分子的作用力为范德华引力,因此在第一吸附层上还可以进行第二、第三等多层吸附;9.酸碱质子理论：凡是能提供质子的物质称为B酸,凡是能接受质子的物质为B碱10.酸碱电子理论：凡是能提供电子的物质为L碱,凡是能接受电子的物质为L酸;11.软硬酸碱理论：对外层电子抓得紧的酸为硬酸HA,而对外层电子抓的松的酸为软酸SA,属于二者之间酸为交界酸;对于碱,电负性大,极化率小,对外层电子抓得紧,难于失去电子对的物质为硬碱HB,极化率大,电负性小,对外层电子抓的松,容易失去电子对的物质为软碱SB,属于二者之间的碱为交界碱;田部浩三假设条件：A,C1为第一种氧化物金属离子配位数,C2为第二种氧化物金属离子配位数,两种金属离子混合后配位数不变;B. 氧的配位数混合后有可能改变,但所有氧化物混合后氧的配位数与主成分的配位数不变;C 已知配位数和金属离子电荷数,用图模型可计算出整体混合氧化物的电荷数,负电荷过剩时可呈现B酸中心,而正电荷过剩时为L酸中心;13.固体酸的性质：酸中心的类型、酸中心的浓度、酸中心的强度;指示剂的胺滴定法：利用某些指示剂吸附在固体酸表面上,根据颜色的变化来测定固体酸表面的酸强度;若指示剂由碱性色变为酸型色,说明H0<=pKa,若指示剂仍为碱型色,说明酸强度Ho>pKa15.人工合成分子筛：是金属Na+阳离子型沸石分子筛,即Na2OAl2O3mSiO2PH2O16.沸石的最基本结构单元：是一级结构单元,由Si、Al、原子通过sp3杂化轨道与氧原子相连,形成以Si或Al原子为中心的正四面体;17.笼结构是构成各种沸石分子筛的主要结构单元;A型沸石分子筛的骨架结构是β笼和立方体笼构成的立方晶系结构,β笼的6个四元环通过氧桥相互连接,构成A型沸石的主笼————α笼;18.沸石分子筛酸性质的调变：1合成具有不同硅铝比的沸石,或者将低硅沸石通过脱铝提高硅铝比,在一定硅铝比的范围内,一般随硅铝比增加反应的活性和稳定性增加;2通过调节交换阳离子的类型、数量,来调节沸石的酸强度和酸浓度,从而改变催化反应的选择性;19.金属催化剂：是指催化剂的活性组分是纯金属或者合金;20金属催化剂的电子逸出功：指将电子从金属催化剂中移到外界通常是指真空环境所需要做的最小功;或者说电子脱离金属表面所需要的最低能量,在金属能带图中表现为最高空能级与能带中最高填充电子能级的能量差,用θ来表示;21.反应物分子的电离势：指反应物分子将电子从反应物中移到外界所需要的最小功,用Ι来表示,它的大小代表反应物分子失去电子的难易程度; 22.通常认为氢在金属催化剂上化学吸附时,与吸附中心转移配位电子数为1,所以选用镍和钴是合适的,尤其是镍具有较高活性;23.人们在研究乙烯在各种金属薄膜上催化加氢时,发现随金属d%增加,加氢活性也增加;24.分散度：指金属晶粒大小而言,晶粒大,分散度小；反之晶粒小,分散度大;分散度D=表相原子数/表相+体相原子数;25.表面上的原子有三种：晶角上的,晶棱上的和晶面上的;26.金属Pt催化含有C---H键变化的烃类反应如加氢、脱氢反应是结构不敏感的;与含有C---H键的反应相反,C---C键的反应和其他一些反应,如氧化反应是结构敏感反应;27.溢流：指被吸附的活性物种从一个相向另一个相转移,另一个相是不能直接吸附生成该物种的相,即称为溢流;溢流的作用：可引起氢吸附速率和吸附量增加,氢溢流使许多金属氧化物的还原温度下降,氢溢流能将本来是惰性的耐火材料氧化物诱发出催化活性,氢溢流还能防止催化剂失活,可使沉积在金属活性中心周围和载体上的积碳物种重新加氢而去掉,使毒化贵金属的硫生成H2S而消失;28.满带：凡是能被电子完全充满的能带叫满带,凡是没有完全被电子充满的能带叫导带,根本没有电子填充的能带叫空带;只有导带能导电;29.半导体分类：n型半导体、p型半导体和本征半导体;30.能级出现在靠近导带下部,称为施主能级;在施主能级上的自由电子,很容易激发到导带中,产生自由电子导电,这种半导体称为n型半导体;型半导体：杂质能级出现在靠近满带上部,称为受主能级,在受主能级上有空穴存在,很容易接受满带中跃迁的电子,是满带产生正电空穴,并进行空穴导电;叫p型半导体;32.络合催化：通常指在均相液相系统中催化剂和反应物之间由于配位作用而进行的催化反应,包括催化剂与反应物发生络合活化作用,从开始直至反应完成的一切过程;33.催化剂的主要制备方法：沉淀法,浸渍法,热分解法,熔融法,还原法;34.沉淀剂和金属盐类的性质直接影响沉淀过程,为此沉淀剂多用氨气、氨水、碳酸铵等物质,因为这些物质在洗剂时容易除去,而不用KOH和NaOH,是因为某些催化剂不希望残留K+或Na+,再者KOH价格较高;金属盐类多选用硝酸盐、碳酸盐、有机酸盐,因为这些酸根在焙烧过程中可分解为气体跑掉,而不会残留于催化剂中;相反,若采用氯化物或硫酸盐,焙烧后残留的阴离子Cl—或SO42—会对催化剂强毒化作用;35.催化剂的失活与再生：按照毒化作用的特性可分为永久中毒和暂时中毒;暂时中毒可用无毒气体吹扫或除去进料中的毒物,催化剂活性可复原,即中毒作用是可逆的;相反,永久中毒时不可逆的,即用无毒物的气体吹扫或从进料中除去杂质,催化剂活性仍不能回复;等温方程计算式：PV(Po−P)=1CVm+c−1CVmP/Po V是平衡压力为P时的吸附量,P为吸附平衡时的压力,Po为吸附气体在该温度下的饱和蒸汽压,Vm为表面上形成单吸附层时所需要的气体体积,C是与第一层吸附热有关的常数;=1/斜率+截距比表面积定义为每克催化剂或吸附剂的总面积,Sg=VmV NaAmV= Na= Am是一个吸附分子的横截面积;38.催化剂的密度：①堆密度ρ堆当V=V堆时求的密度称为催化剂的堆密度; ρ堆=m／V堆=m／﹙V隙+V孔+V真②颗粒密度假密度ρ假当V=V堆 -V隙时求的密度称为催化剂的颗粒密度ρ假 =m／V堆 -V隙=m／﹙V孔+V真③真密度骨架密度ρ真当V=V真时求得的密度称为真密度ρ真 =m／V真=m／V堆 -V隙+V孔④视密度ρ视 =m／V堆 -V隙+V孔39. 比孔容积Vg=1/ρ假 +1/ρ真孔隙率θ=1--ρ假/ρ真平均孔半径r=2Vg/Sg40..从费米能级Ef到倒带顶之间的能量差就是逸出功φ;;n型半导体<本征半导体<p型半导体38.用碳正离子反应规律说明下述反应机理;答：①正碳离子生成烯烃正碳离子生成②正碳离子与烯烃作用生成新正碳离子;③催化剂还原1.BET公式中V m表示：表面上形成单吸附层时所需要的气体的体积;当得出V m后,将如何计算出比表面积S g S g=V m/V'N A A m V'为吸附质的摩尔体积×103cm3,N A为阿伏伽德罗常数,A m 为一个吸附分子的横截面积A m=M/ρL N A2/3×106ρL液态吸附质密度,M吸附质相对分子质量A m =4××M/4√2N AρS2/3ρS为固态吸附质密度,将吸附当做液化,式中ρS改用ρL2.已知Ni的d空穴数=,Co的d空穴数=,Tc的d空穴数=,试说明对于乙烯的加氢、合成氨反应,应选用和重金属催化剂why若将少量铜加入催化剂中,催化活性有何变化对于乙烯反应可选用Ni或Co；对于合成氨反应可选用Tc;根据过渡金属d空穴数与催化剂活性关系得知：当d空穴数≈反应物分子吸附时电子转移数时,为中等吸附,有较好的催化活性;乙烯加氢反应,乙烯在金属表面上吸附时电子转移数为1,所以选用d空穴数接近于1的Ni或Co 较好；而合成氨反应中,N在金属表面上吸附时电子转移数为3,所以选用d 空穴数接近3的Tc,这样才能给出较好的活性; Cu的d电子层已充满电子,但有未成对的s电子,若将Cu加入上述各种过渡金属中,Cu的s电子可转移到过渡金属的d空穴中,是上述各种金属的d空穴数减少;Ni的d空穴数本来＜1,加入Cu后会进一步降低,所以表现出活性随Cu加入而下降;Co中加入Cu后会使Co的d空穴数减少,活性逐渐增加,当接近1时活性达到最大值,Cu 加入量更多时,使Co的d空穴数大大减少,会使其活性降低;Tc的规律与Co 相似3.在n型和p型半导体催化剂中各加入施主杂质后,他们的导电率和逸出功各有何变化N型半导体催化剂加入施主杂质后,它的导电率提高,逸出功降低;因为n型半导体靠自有电子导电,加入施主杂质会使导带自由电子增加,所以导电率提高,E f提高逸出功降低；而p型半导体催化剂中加入施主杂质后,他的导电率降低,逸出功也降低;因为p型半导体靠自由空穴导电,加入施主杂质会使自由空穴减少,故导电率降低,逸出功降低原因同上;4.半导体催化剂ZnO在吸附氧气后导电率比未吸附低,用ZnO催化剂催化CO ﹢O2→CO2反应时,催化剂的导电率增大,试问CO和CO2哪种物质吸附为控制步骤,这是什么型反应加入什么杂志可以提高反应物速度因为氧化锌是n 型半导体,吸附氧后会有Zn ＋将电子转移给氧,产生受主键吸附,使参加n 型导电的Zn ＋减少,表现为吸附氧后导电率比未吸附时低;用ZnO 催化剂催化CO氧化为CO 2的反应机理如下：2Zn 2+O 2-2Zn +22e -当反应时CO 吸附在Zn 2＋上,并将电子传递给Zn 2＋,使他变为Zn ＋,此时催化剂导电率增加;这也说明CO 吸附较O 2吸附容易;容易O 2的吸附为控制步骤,这是受主型反应;应当加入施主型杂志如Li 2O 等以提高反应速率;5.已知Pd 、Rh 、Co 、Ta 、Cu 的d 带空穴数分别为、、、和0,使用能带理论解释那些金属可以作为乙炔加氢催化剂那些可以作为合成氨催化剂若将少量铜加入上述催化剂中,对催化剂活性有何影响为什么加氢过程吸附中性电子转移为1,所以Pd 、Rh 、Co 更适合乙炔加氢；合成氨学3个电子转移,因此Ta 比较合适;6.已知某活性硅胶样品质量,骨架体积为,颗粒体积为,式计算该样品的比孔容和孔隙率;V 颗粒=V 孔+V 真=,V 真=,V 孔=,ρ假=m/V 孔+V 真=cm3,ρ真=m/V 真=cm3. Vg=1/ρ假 +1/ρ真=g θ=V 孔/V 孔+V 真=% 补充1.能够区分B 酸跟L 酸的方法是吸附碱的红外光谱法;2. 下面根据正碳离子生成和反应规律来分析丙烯与乙丙烯生成异庚烷的反应过程;C 3H 6 +iC 4H 10(CH 3)2CH 2CH(CH 3)2A.正碳离子的形成CH 3CH=CH 2+H +3CHCH3B.正碳离子与带支链烷烃反应,生成新的正碳离子和新的烷烃C.正碳离子与烯烃加成,生成新的正碳离子D.按正碳离子的稳定性发生甲基转移(CH)3CCH2CHCH3(CH3)2CCH2CH(CH3)2E.重复步骤B3.沸石分子筛的特征：是一种水合结晶型硅酸盐,具有均匀的微孔,其孔径与一般分子大小相当,由于其孔径可用来筛分大小不同的分子;特点：白色粉末,粒度到10um或更大,无毒、无味、无腐蚀性、不溶于水和有机溶剂,溶于强酸或强碱;具有独特的规整晶体结构,其中每一类沸石都具有一定的尺寸、形状的孔道结构,并具有较大比表面积;大部分沸石分子筛表面具有较强的酸中心,同时晶孔内有强大的库仑场起极化作用;还具有独特的择形催化作用和可调变性;4.化学吸附键和吸附状态：当Φ>I时,电子从反应物向金属催化剂表面转移,反应物分子变成正离子,两者差别越大,离子键越强,当Φ<I时,相反;5.金属催化剂晶格缺陷：点缺陷机械缺陷、电子缺陷、化学缺陷、线缺陷位错;6.过渡金属氧化物催化剂的电子特性：1,过渡金属氧化物中金属阳离子的d电子层容易失去或得到电子,具有较强的氧化还原性能;2过渡金属氧化物具有半导体性质;3过渡金属氧化物中金属离子内层价轨道保留原子轨道特性;4过渡金属氧化物催化剂和过渡金属催化剂都可以催化氧化还原型反应,过渡金属氧化物催化剂比过渡金属催化剂更耐热、抗毒性能强,光敏、热敏,杂质敏感性能,因此便于催化剂的调变;7.过渡金属氧化物催化剂类型：M2O MO M2O3 MO2 M2O58.工业催化剂的分类：1不断改进现有催化剂的性能,2利用现有廉价原料,为合成有用的化工产品而寻找开发合适的催化剂;3为化工新产品和环境友好工艺的开发二研制催化剂;9.催化剂的再生：积碳失活的催化剂可以通过烧焦使催化剂再生,在烧焦前用惰性气体或水蒸气吹扫催化剂;。
催化 化学 前沿领域
催化化学前沿领域催化化学前沿领域创作：在催化化学的前沿领域，科学家们不断探索着新的方法和技术，以改善能源转换效率、减少环境污染和提高化学反应的选择性。
催化剂作为催化反应中的关键角色，发挥着至关重要的作用。
催化化学的研究一直以来都是一个复杂而又具有挑战性的领域。
科学家们致力于寻找新的催化剂，以提高反应速率和选择性。
其中一种研究方向是基于金属有机骨架材料的催化剂。
这种材料以金属离子为中心，通过有机配体与其连接形成稳定的结构。
这种结构不仅具有高度可控性，还具有可调控的孔径和表面活性位点，从而能够实现高效催化反应。
另一个前沿领域是基于纳米催化剂的研究。
纳米催化剂具有高比表面积和丰富的表面活性位点，可以提高反应速率和选择性。
科学家们通过调控纳米催化剂的形貌、组成和结构，实现了对反应活性的精确控制。
此外，利用纳米催化剂还可以实现对反应的原位监测和调控，从而提高催化反应的效率和可控性。
近年来，人工智能在催化化学中的应用也成为研究的热点之一。
通过机器学习和深度学习等技术，科学家们可以快速筛选大量的催化剂，并预测其催化性能。
这种基于人工智能的方法不仅能够加快新催化剂的发现速度，还可以降低实验成本和提高催化反应的效率。
除了上述的研究方向，催化化学的前沿领域还涉及到催化剂的可持续性和环境友好性。
科学家们致力于开发更加环境友好的催化剂，以减少对稀有金属的依赖，并实现催化反应的可持续发展。
催化化学的前沿领域充满了无限的可能性和挑战。
科学家们通过不懈努力和创新思维，不断推动着催化化学的发展，为人类社会的可持续发展做出了重要贡献。
相信随着科技的进步和研究的深入，催化化学的前沿将会呈现出更加精彩的景象。
(完整版)催化化学习题及答案
一、基本概念题1. 催化剂的比活性：催化剂的比活性是相对于催化剂某一特定性质而言的活性。
例如：催化剂每m2的活性。
2. 催化剂的选择性：催化剂有效地加速平行反应或串联反应中的某一个反应的性能。
3. 催化剂的机械强度：固体催化剂颗粒抵抗摩擦、冲击和本身的质量以及由于温变、相变而产生的应力的能力，统称为催化剂的机械强度。
4. 催化剂的密度：实际催化剂是多孔体，成型的催化剂粒团体积包括颗粒与颗粒之间的空隙V隙、颗粒内部实际的孔所占的体积V孔和催化剂骨架所具有的体积V真，即V堆＝V隙+V孔+V真。
（a）堆密度；（量筒）（b）颗粒密度；（压汞法）（c）真密度（氦气法）5. 催化剂的比表面：通常以1g催化剂所具有的总表面积m2/g6. 催化剂的比孔容：1g多孔性固体催化剂颗粒内部所有孔道的总体积。
ml/g7. 催化剂的孔隙率：多孔性固体催化剂颗粒内部所有孔道的总体积占催化剂颗粒体积的百分数。
8. 催化剂的孔分布：除了分子筛之外，一般催化剂中的孔道直径大小不一。
不同大小的孔道占总孔道的百分数称为孔分布。
不同范围的孔径(r>200nm称大孔，r＜10nm 微孔，r为10~200nm过渡孔) 有不同的测定方法。
9. 催化剂的平均孔半径：一般固体催化剂(分子筛除外)中孔道的粗细、长短和形状都是不均匀的，为了简化计算，可以把所有的孔道都看成是圆柱形的孔，并假定其平均长度为L，平均半径为r。
10. 催化剂中毒：催化剂在使用过程中，如果其活性的衰退是由于反应介质中存在少量杂质，或是由于催化剂在制备时夹杂有少量杂质而引起的，则称为催化剂的中毒。
11. 催化剂的寿命：催化剂在实际反应条件下，可以保持活性和选择性的时间称为催化剂的寿命。
12. 催化剂的活化：催化剂在投入实际使用之前，经过一定方法的处理使之变为反应所需的活化态的过程。
13. 转化数：单位活性中心在单位时间内进行转化的反应分子数14. 转化率：反应物在给定的反应条件下转化为产品和副产品的百分数15. 产率：反应产物的量相对于起始反应物总量的百分数产率、选择性和转化率三者的关系为：产率＝选择性*转化率16. 时空产率：催化反应中，反应物在单位时间内通过单位体积的催化剂所得某一产物的量。
催化化学名词解释简答题
催化化学复习题名词解释或简答题1. 催化剂作用答: “催化剂能加快化学反应速度，但它本身并不因化学反应的结果而消耗，它也不会改变反应的最终热力学平衡位置。
2.活性位（active site）答：在催化剂中真正起催化作用的那部分原子或原子集团。
如质子、配位络合物、表面原子簇等。
一般用“*”表示。
3. 转换频率（Turnover Frequency）答：单位时间内单位活性位上转化反应分子(底物)的数目．4. 选择性（Selectivity）答：Selectivity (%) = （转化为目的产物所消耗的某反应物量/某反应转化的总量）´100％5. 均相催化（homogeneous catalysis）答: 所有反应物和催化剂分子分散在一个相中，如均相酸碱催化、均相络合催化。
6. 多相催化（heterogeneous catalysis）答: 催化剂与反应物处于不同的相，催化剂和反应物有相界面将其隔开。
如气-液、液-液、液-固、气-固、气-液-固。
7. 酶催化（enzyme catalysis）答: 兼有均相催化和多相催化的一些特性。
酶是胶体大小的蛋白质分子，它小到足以与所有反应物一起分散在一个相中，但又大到足以论及它表面上的许多活性部位。
8. 选择中毒答: 一个催化剂中毒后，可能失去对某一反应的催化能力，但对别的催化反应仍有催化活性，这种现象称为选择中毒。
9．载体作用答：载体有多种功能，如高表面积、多孔性、稳定性、双功能活性和活性组分的调变以及改进催化剂的机械强度等。
最重要的功能是分散活性组分,作为活性组分的基底，使活性组分保持高的表面积。
常用的载体材料主要为高熔点氧化物、粘土和活性炭等。
10. 多位催化理论答：催化剂晶体晶格的空间结构（分布和间距）与反应分子将发生变化的那一部分结构呈几何对应关系，则被吸附的分子易被活化而参与化学反应，这就是多位催化理论，也称为几何对应原理。
11. 活性组分答：活性组分对催化剂的活性起着主要作用，没有它，催化反应几乎不发生。
催化化学反应的基本概念
催化化学反应的基本概念催化化学反应是指通过加入一个催化剂，促进化学反应发生的过程。
催化剂本身并不参与化学反应，但它可以改变反应的机理，降低反应的能垒，从而加速反应速率。
催化化学反应已经广泛应用于化学工业中，使得反应速率和反应产物选择性得到有效的调控和提高。
催化作用的物理化学基础化学反应能垒是指化学反应过程中所需克服的最小能量，即使反应物的能量达到了反应所需的总能量，如果没有达到克服起始能垒的能量，化学反应依然无法进行。
而催化剂靠的就是降低反应的能垒。
催化剂的增加并不改变反应所需总能量，而是改变了反应的能垒，使得反应更容易发生。
催化剂还可以结合反应物形成中间产物，然后再降解成产物，从而加速反应速率。
在反应物和中间产物之间的反复转化过程中，催化剂可以提供必要的环境，降低反应的自由能和熵，从而促进反应向产物方向移动。
催化速率与酶催化作用催化作用在生物体系中也有广泛应用。
酶是一种具有高度立体特异性、高效率和高选择性的生物催化剂，能够催化生物体系中的化学反应，实现生命过程的调控和维护。
酶在生物体系中也是通过构建一个优化的微环境，改变反应的能垒和化学机理，从而加速反应速率。
在生物体系中，酶通过非共价作用结合底物，形成酶底物复合物，从而降低反应的能垒。
酶还可以降低底物之间的亲和力，使得反应更加选择性和高效。
酶催化作用的效率能够达到每秒钟数千万次，这种高效率和高选择性的特性极大地推动了生命过程的进行。
催化反应的应用催化反应已经广泛应用于化学合成、能源储存和转化、环境保护等方面。
在化学合成中，催化反应可以借助催化剂的降低反应能垒和改变反应机理，使得反应速率和产物选择性得到有效的调控和提高。
在能源储存和转化中，催化剂可以促进化学反应的发生，实现各种化学储能和能量转换。
在环境保护中，催化剂可以促进烟汽净化和废气处理等反应，减少环境污染和资源浪费。
总结催化化学反应是一种通过加入催化剂，促进化学反应发生的过程。
催化剂能够改变反应机理和降低反应能垒，从而加速反应速率和提高产物选择性。
催化化学知识点总结
催化化学知识点总结一、催化化学的基本原理1.化学反应动力学催化化学的基本原理涉及到化学反应动力学的研究。
化学反应速率是指单位时间内反应物的浓度变化。
催化剂可以通过降低反应的活化能来提高反应速率，从而促进化学反应的进行。
这是催化化学的基本原理之一。
2.催化剂的作用机制催化剂可以通过多种方式参与化学反应，包括吸附、活化、中间体形成和分子转移等。
催化剂可以提供不同的反应通道，从而选择性地促进某一种或几种化学反应，实现对目标产物的选择性合成。
3.催化剂的选择性催化剂的选择性是指其在化学反应中对不同反应物的选择性反应能力。
催化剂通过表面结构和化学成分的控制，可以实现对不同反应物的选择性催化，从而获得目标产物。
4.催化反应的稳定性催化剂在催化反应中会受到影响，其结构和活性可能发生变化，影响催化效果。
因此研究和提高催化反应的稳定性是催化化学的一个重要问题。
二、催化化学的分类催化化学可以根据催化剂的类型和反应类型进行分类。
1.催化剂的类型催化剂可以分为金属催化剂、金属氧化物催化剂、酶催化剂和催化剂剂作用相关的配基等。
金属催化剂包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂和难吸物质阴离子催化剂等。
金属氧化物催化剂包括氧化铁、氧化锌、氧化钛等。
酶催化剂则是通过生物合成获取的一种天然催化剂，其在生物化学反应和酶工程中有着重要的应用。
2.反应类型催化化学的反应类型主要包括氧化反应、还原反应、氢化反应、脱氢反应、重整反应、裂解反应、缩合反应、异构化反应、气相反应等。
不同的反应类型需要选择不同类型的催化剂和反应条件。
三、催化化学的应用催化化学在许多领域都有着广泛的应用，主要包括工业生产、环境保护和能源开发等。
1.工业生产催化化学在化工工业中有着广泛的应用，包括石油加工、有机合成、气相反应、液相反应等。
催化化学可以提高化工工业生产的效率和产物纯度，减少能源消耗和环境污染。
2.环境保护催化化学在环境保护领域有着重要应用，主要包括汽车尾气净化、工业废水处理、有害气体吸附、雾霾治理和新型清洁能源研发等。
催化化学
生物催化一般多指酶催化反应，酶在结构上有非常特定形状的活 性位点，形成与反应物相吻合的形状
催化剂的是原子，分子，酶及表面固体
催化作用一般分为均相催化反应、生物催化反应、多相催化反应三大 类 多相催化反应：催化剂和反应物处于不同的相，在 催化剂界面上引起的催化反应。
O2 2* 2O * CO * CO * CO * O* CO2 2 *
配分函数
平动配分
振动配分
转动（和核）配分
电子（和核）配分
碰撞理论
碰撞理论将反应分子看成硬球或者刚性球，只有碰撞时的动能能够确定 它们是否跃过能垒。
根据麦克斯韦-波兹曼分布，在球面坐标中，平衡体系的混合粒子的速度 分布可表示为
碰撞理论
虽然碰撞理论对反应速率上限的预测提供了有用的方 法，但其最大缺点在于不能解释反应过程中自由能的 变化，因为它处理单独的分子，而没将足够多的分子 考虑在内。因此，本理论在本质上与热力学矛盾。
ri fT (T ) fC (C j )
一般C、T影响是相互独立的（经验） —反应速率的温度效应 —反应速率的浓度效应
动力学为化学反应中描述反应速率提供了框架，也使我们确认了分子反应
通过中间体到产品的形成的反应机理与速率有关。 动力学把反应速率与宏观参数，如浓度、压力和温度关联起来。 动力学为我们提供了一种工具使微观世界的分子反应与宏观世界的工业反 应工程联系起来。
催化作用为什么如此重要
如果没有催化作用，只靠单独的化学反应，化工行业不会发展到如今的 地步。
绿色化学：利用化学原理从源头上减少或消除工业生产对环境的污染。 化工工业：催化作用可以提高反应速率，降低反应条件，在化工生产中 大约有85%-90%是用到催化剂的，当然这个数字还在表达式
催化化学第三、四章
令酶的原始浓度为[E]0，反应达稳态后，一 部分变为中间化合物[ES]，余下的浓度为[E]
[E] [E]0 [ES]
[E][S] ([E]0 [ES])[S] [ES] KM KM
[E]0 [S] [ES] K M [S]
k2 [E]0 [S] d[P] r k2 [ES] dt K M [S]
（二）速率方程与动力学参数
微分形式的速率方程又有幂式和双曲线式两种，幂式速率方程 形式如
r kPA PB
其中k为速率常数，α，β…为反应级数。双曲线式速率方程有 以下或类似的形式
ki Pi r 1 1P 2 P2 ... 1
其中， i 1 2 ... 为常数，k为反应速率常数
2.高效率 倍。
它比人造催化剂的效率高出108至1012
一般在常温、常压下进行。
3.反应条件温和
4.兼有均相催化和多相催化的特点 5.反应历程复杂 受pH、温度、离子强度影响较 大。酶本身结构复杂，活性可以进行调节
气固多相催化反应动力学基础
一、 基本概念
（一）反应速率
（二）速率方程或动力学参数 （三）速率控制步骤 （四）表面质量作用定律
（二）速率方程与动力学参数
基元过程一般服从Arrhenius定律
k A exp- E / RT
其中，A为指前因子，E为活化能。在总包反应情况 下，总反应速率常数有时在形式上遵从Arrhenius 定律，此时所对应的E称为表观活化能，表观活化能 是否有具体的物理意义视情况而定。 动力学参数包括速率常数，反应级数，指前因子和活 化能等。
k1 S E k1
ES E P
化学催化反应的机理及应用
化学催化反应的机理及应用一、催化反应的定义与特点1.催化反应的定义：催化反应是指在化学反应过程中，通过另一种物质的参与（催化剂），改变反应速率、反应途径或生成物的性质的化学反应。
2.催化反应的特点：a)催化剂在反应前后质量和化学性质不变；b)催化剂能显著改变化学反应速率，包括加快和减慢；c)催化剂不改变反应的化学平衡。
二、催化反应的机理1.催化反应机理概述：催化反应的机理通常包括吸附、催化反应中间产物、转移电子过程等。
a)吸附类型：物理吸附和化学吸附；b)物理吸附：吸附质与吸附剂之间的弱范德华力作用；c)化学吸附：吸附质与吸附剂之间形成化学键。
2.催化反应中间产物：a)中间产物在催化反应中起到桥梁作用，连接吸附阶段和生成物阶段；b)中间产物的稳定性、反应活性等因素影响催化反应的效率。
3.转移电子过程：a)电子转移是催化反应中的关键步骤，包括电子的得失、共享等；b)电子转移的难易程度影响催化反应的速率。
三、催化反应的应用1.合成反应：a)合成氨：工业上通过哈柏-博施法实现；b)聚合反应：如聚乙烯、聚丙烯等高分子材料的合成。
2.氧化还原反应：a)汽车尾气净化：采用催化转化技术将有害气体转化为无害物质；b)燃料电池：利用催化反应实现化学能与电能的转换。
3.生化反应：a)酶催化：生物体内各种生化反应的进行离不开酶的催化作用；b)药物合成：许多药物的合成过程中涉及催化反应。
4.环境治理：a)废水处理：利用催化剂去除废水中的有害物质；b)空气净化：采用催化剂去除室内空气中的污染物。
四、催化反应的研究方法1.实验方法：包括吸附实验、动力学实验、表征实验等；2.理论方法：如分子动力学模拟、密度 functional theory（DFT）计算等。
五、我国在催化反应领域的研究进展1.纳米催化剂的研究：如纳米金属催化剂、纳米复合催化剂等；2.绿色催化反应：开发环境友好、高效、选择性好的催化剂；3.工业应用：如石油化工、环保等领域的研究与开发。
催化化学
8、吸附热
在多相催化反应中，至少有一个反应物是吸 附在固体表面上的。而在吸附过程中，吸附物种 与催化剂表面键合形成化学吸附键的强弱，由反 应物与催化剂的性质和吸附条件所决定，其数值 大小可由化学吸附热度量。吸附热越大，表明吸 附键越强；反之，Qc越小，表明吸附键越弱。 可以说，吸附热是表征吸附类型和表面不均匀性 程度的一个重要性质。
❖ 3） 由于化学吸附的推动力是化学键力，化学吸附类似于化 学反应，是化学过程。此过程只能在特定的吸附剂和吸附质 之间进行，有选择性，吸附层只能是单层。在吸附物和吸附 质之间有电子共享或电子转移，生成了化学键或化学吸附键。 同时，吸附分子内的电子云重新分布，分子结构发生了变化。 在各种谱峰图上表现出特征峰的位移，反应物的分子通过化 学吸附得到了活化。
❖ 表面覆盖度：催化剂吸附时，已被覆盖的表面S占 吸附饱和时所覆盖的表面Sm的分率，记为：
S
Sm
也可以用蒸气压来表示：
p
p0
P——体系中某蒸气的分压；P0——饱和蒸气压。
2.1.2物理吸附和化学吸附的区分
1）物理吸附
物理吸附是由相互不起反应的分子间的吸引力，即Van der waals力引起的。可把这些力划分为：
① 测定催化剂活性表面积；
② 解释反应动力学。
而利用物理吸附来测定催化剂的表面积、平均孔径
及其孔径分布等。
7、温度对吸附量的影响
物理吸附的气体量总是单调地随温度的上 升而减少的（通常，物理吸附量总是与相对压 力p/p0相关。 P——体系中蒸气的分压；p0—— 在相同温度下，存在于纯液体上的蒸气压）。
催化化学书籍
催化化学书籍有关催化化学的书籍，取决于你的学术水平和兴趣领域。
以下是一些涵盖催化化学不同层次和方面的书籍：1.初学者和本科生：《催化化学导论》（Introduction to Catalysis）by Bruce C. Gates《催化化学基础》（Catalysis: Concepts and Green Applications）by B. Viswanathan《催化科学与工程》（Catalysis Science and Engineering）by J. Wiley and M. Boudart2.研究生和专业领域：《催化导论》（Introduction to Catalysis and Industrial Catalytic Processes）by Robert J. Farrauto, Lucas Dorazio, and C. H. Bartholomew《催化反应工程》（Catalytic Reaction Engineering）by Gilbert F. Froment, Kenneth B. Bischoff, and Juray De Wilde《催化剂设计：理论与实践》（Catalyst Design: Optimal Distribution of Catalyst in Pellets, Reactors, and Membranes）by Hugo de Lasa3.专业研究和参考：《催化化学》（Catalysis by J. H. Espenson）《催化科学与技术》（Catalysis Science and Technology）by James J. Spivey, Stanley M. Misono, and Maria Flytzani-Stephanopoulos《固体催化剂》（Solid Catalysts: Synthesis, Characterization, and Applications）by Pierre H. Dixneuf and H. Olivier-Bourbigou。
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永久中毒: 毒物的吸附非常强,难以脱附.
暂时中毒: 毒物的吸附较弱,而且可逆. 不同类型催化剂和反应的毒物不同
·积炭
高分子量化合物在催化剂表面沉积,导致失活. 可通过在空气中 煅烧使催化剂再生.
·熔解, 重结晶 晶粒受热作用半熔或长大, 导致比表面积减小, 即单位催化剂的活性中心 数目减少,从而导致活性下降. ·活性组份流失
给定温度下,达到某一转化率所要求的空间速度 : 空间速度是一个操作条件, 是指单位时间、单位催化 剂(重量或体积)的进料速度, 有体积空速和重量空速 两种表示方法.
1.5.2 催化剂的选择性 对复杂反应有选择性发生催化作用的功能 , 用来描 述在催化剂上两个或多个竞争反应的相对速度. 所选择的方向不一定是自由能降得最低的方向.
升华, 例如: WO3-MoO3催化剂,高压加氢反应中, MoO3升华.
§2 多相催化的发展 2.1 多相催化现象的科学发现与积累 2.2 多相催化在工业上的应用 ·以煤为原料的路线
·在石油炼制中的应用
·在石油化工中的应用 ·精细有机化工中的应用 ·环保方面的应用 2.3 催化在国民经济中的作用 ·广辟资源 ·现代化学工业的支柱
1.2 多相催化作用的基本概念
· 均相: 催化剂和反应物均相或无相界面
· 多相: 催化剂和反应物多相或有相界面 表1. 相界面
反应物
催化剂 液 固 固 固 气 液 气 液+气
例子
烯烃 聚合物(磷酸为催化剂) 醇 烯烃(Al2O3为催化剂) 合成氨过程(Fe为催化剂) 硝基苯+H2 苯胺 (Pd为催化剂)
“在可逆反应中,催化剂仅能加速反应平衡的到达,而不能改变平衡常数”
阐明: 催化剂 与 反应速度、化学平衡 关系, 但并未阐明：催化剂参加化学反应,是一化学作用.
· 1977年: 纯化学应用化学学会(IUPAC)给催化作用下定义: “催化作用是一种由少量的称作催化剂的外来物质来提高化学反应速 度而催化剂本身不被消耗的现象” “催化剂使反应按包括生成中间化合物的一系列基元步骤进行,从而 提高了总的反应速率” “催化剂参加反应 ,并在每个反应循环后再生出来 ,这样一个单位的 催化剂可以转化许多单位的反应物” “催化剂只能催化热力学可能的反应中的一个或几个”
选择性的表示方法： ·主产物的产率 例： 主反应 aA+bB cC+dD 目的产物C的产率＝ ·主副反应速率常数之比
S＝k1/k2 k1—主反应; k2—副反应
·活性与选择性的综合指标 —收率： 已转化为主产物的摩尔数对反应物总摩尔数之百分 比. 收率=转化率×选择性
1.5.3 催化剂的失活 在使用过程中丧失活性或选择性的现象. ·对简单反应: 在恒定反应条件下,催化反应的转化率随反应时 间而降低的现象. 失活速度经验式: -dk/dt=Bkn k-催化反应速度常数; n-正常数; B-对某一次反应来说是常数, 随反应温度及其它条件而变. ·在反应网络中, 失活引起选择性变化.
1.5 催化剂的评价
1.5.1 催化剂的活性 催化剂加快反应速度的一种量度,实际上相当于催化反应的 速度. 表示催化活性的方法: · 比活性 比活性=活性/比表面 · 转化数(turnover number): 单位时间每个活性中心上发生反 应的分子数,不涉及速率方程,但活性中心数测定不容易.
· 利用一些比较直观的参数 给定温度下的转化率; 达到某一转化率所要求的温度; 给定温度下的总反应速率;
1.3 催化剂和催化作用的基本特性
① 催化剂是具有物体形式的物质
·光、热、电等虽能加速反应,但不是催化剂,因其不具有物体形式 ·引发剂也不是催化剂,因其被消耗
② 催化剂作用的基本原理是降低反应活化能
非催化反应与催化反应的活化能(kJ/mol)
反 应 N2+3H2 2NH3 2N2O 2N2 + O2 2H2O 2H2+O2 E非 E催 催化剂 熔铁 Au Pt
合成氨工业
1898年，德国A.弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化钙固定而生成氰氨化钙（又称 石灰氮），进一步与过热水蒸气反应即可获得氨，这是早期（哈伯合成氨工艺发明 之前）合成氨工业的基础。 • 标志性事件 1：1909年，德国化学家Fritz Haber用锇催化剂将氮气与氢气在 17.5 ～20MPa和500～600℃下直接合成，反应器出口得到6％的氨，并于卡尔斯鲁厄 大学建立一个每小时80g合成氨的试验装置。1918年，Fritz Haber获得诺贝尔化 学奖（对从单质合成氨的研究） • 标志性事件2：1912年，德国BASF公司的Alwin Mittasch和Carl Bosch用2500种 不同的催化剂进行了6500次试验，并终于研制成功含有钾、铝氧化物作助催化剂 的价廉易得的铁催化剂，这也是现代合成氨工业催化剂成分的雏形。这种合成氨 法被称为Haber-Bosch法，它标志着工业上实现高压催化反应的第一个里程碑。 1931年，Bosch获得诺贝尔化学奖（发明与发展化学高压技术） • 标志性事件3：2007年，Gerhard Ertl因他在“固体表面化学过程”研究中作出的 贡献为合成氨研究再获诺贝尔化学奖。Gerhard Ertl对人工固氮技术的原理提供 了详细的解释：认为首先是氮分子在铁催化剂金属表面上进行化学吸附，使氮原 子间的化学键减弱进而解离；接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的解离的 氮原子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面 上脱吸而生成气态的氨。Ertl还确定了原有方法中化学反应中最慢的步骤——N2 在金属表面的解离，这一突破有利于更有效地计算和控制人工固氮技术。
单分子反应过程的位能变化？
③ 可逆反应中,催化剂加速化学平衡的到达,但不影响平衡的 位置 并不绝对,在一定条件下有此结论 例: 二甲苯在HZSM-5催化剂上异构化
此时, 催化剂的孔结构起了作用 对二甲苯容易由孔中扩散出去 孔隙内维持一个热力学平衡 但：孔隙外是另一平衡 (90%,2%,8%)
④ 催化剂具有选择性 亦即催化作用可控制反应的方向。 意义:
1.4 催化剂的组分及结构
单组分
多组分: 主催化剂; 助催化剂; 载体
载体的作用: 使比表面增大,提供适合的孔结构; 提供催化剂的机械强度; 提高催化剂的热稳定性; 载体和活性组分之间有一定化学作用,形成新的化
合物;
亦可直接提供活性中心 助催化剂的作用: 少量的物质能改善催化性能
提高活性; 提高选择性; 延长寿命
335 160 245 121 244 126
正己烷裂化
降低幅度 100kJ/mol
230
75
SiO2/Al2O3
* 催化剂为何能降低活化能？
催化剂通过改变反应途径降低活化能 中间化合物理论 暂时介入理论 催化过程: A+K→AK AK+B→AB+K 其中: A,B反应物; AB产物; K催化剂 非催化过程: A+B→AB 多相催化过程至少包括三个速率过程: · 反应物在催化剂表面的吸附 · 活化络合物在表面的生成与分解 · 产物的脱附
1.2.1 多相催化的研究对象和特点
·多数为固体催化剂 单一物质: 如Al2O3 复杂体系: 如七组分催化剂,非化学计量,起作用的为一特 殊结构的中心,如Fe,起作用的为七原子的原子簇
·反应在界面上进行
·多相催化反应机制 七个步骤(气/固反应) ① 反应物由气相向催化剂外表面扩散 ② 反应物由催化剂外表面向内表面扩散 ③ 反应物吸附到催化剂表面 ④ 表面反应: 处于吸附态的反应物分子进行反应成为吸 附态产物 ⑤ 产物由催化剂表面脱附 ⑥ 产物由催化剂内表面向外表面扩散 ⑦ 由外表面向气相扩散
具体反应: 抑制负反应
大方面说: 节省资源 品种很少的原料 → 多种多样产品 例1 由乙烯出发
例2 由乙醇出发
⑤ 催化剂表面存在活性中心
活性中心理论 一些现象, 如中毒现象, 表面不均匀等中间化合物理论解释 不了, H.S.Taylor活性中心学说: 催化剂表面是不均匀的,不平滑的,具有“山峰”和“山谷”, 仅仅位于峰顶、棱角上的原子,才有催化活性,称活性中心, 活性 中心上才能进行催化反应.
第一章
绪
论
§1 催化剂和催化作用
1.1 关于催化剂和催化作用的定义
· 1835年: “催化力”-使物质发生分解的作用,叫催化力. ·60年后 W.Oslwald(1896年) 由于化学热力学及气体反应动力学的发展
“催化作用”是在外来物质的存在下,对慢反应的加速;
“任何物质,它不参加到化学反应的最终产物中去 ,只是改变这个反应速度 的,称催化剂”
关于结构的描述分三个层次: 微粒的结构: 结晶结构; 表面结构: 原子或离子在表面的分布; 孔结构: 包括5个方面的内容 · 比表面积 · 孔径及其分布 · 孔体积: 单位质量催化剂的总孔隙体积 · 堆积密度,颗粒密度,骨架密度 密度=质量/体积 体积: 颗粒间的空隙体积 颗粒内部微孔体积 颗粒本身真实骨架体积 · 孔隙率: 总孔隙体积与总颗粒体积之比