第六章金属催化剂催化作用讲解
金属催化剂的催化原理
金属催化剂的催化原理
金属催化剂的催化原理可以分为两个步骤：吸附和反应。
1. 吸附：金属催化剂通常能够吸附反应物分子，使其吸附在金属表面上。
这是由于金属表面的活性位点可以与反应物分子相互作用并形成化学键。
吸附有助于增加反应物的有效浓度，促使反应发生。
2. 反应：吸附在金属表面上的反应物分子可以与其他反应物分子发生反应，生成产物。
金属催化剂能够提供活化能，使反应物分子之间的化学键断裂和形成更容易。
另外，金属催化剂也可以在反应过程中参与反应，形成中间体或生成活性物种，帮助加速反应速率。
金属催化剂的催化原理还与金属的电子结构有关。
金属催化剂通常具有一定的电子密度和可调节的反键电子，这些特性使金属具有一定的催化活性。
金属催化剂的选择性和活性可以通过金属种类、表面结构、晶体面、孔隙结构等参数进行调节。
总结起来，金属催化剂通过吸附和反应的过程，利用金属表面上的活性位点来降低化学反应的活化能，提高反应速率，并且由于它们的可调节性和选择性，可以实现特定反应的催化控制。
催化剂的作用机理
催化剂的作用机理催化剂是化学反应中常常使用的一种物质。
它在化学反应中起到了非常重要的作用。
本文将主要讨论催化剂的作用机理，以及其在实际应用中的重要性。
一、催化剂的定义催化剂是指能够加速化学反应速率而自身在反应中不发生永久性变化的物质。
催化剂可以降低化学反应的活化能，提供新的反应路径，从而使反应更容易进行。
催化剂在反应结束后可以被回收利用，因此它具有很高的经济效益。
二、催化剂的作用机理催化剂的作用机理可简化为两个关键步骤：吸附和反应。
具体来说，催化剂通过与反应物发生吸附，将其吸附到其表面上，并改变了反应物的电子结构和键级。
这种吸附降低了反应物的活化能，促使反应更容易进行。
在吸附后，反应物在催化剂表面上进行反应，生成产物。
最后，产物从催化剂表面解吸，完成整个催化反应过程。
三、催化剂的种类及应用根据催化剂的物理和化学性质，可以将催化剂分为多种类型，如金属催化剂、酸碱催化剂和酶催化剂等。
每种催化剂都有其特定的应用领域。
1. 金属催化剂：金属催化剂在许多化学反应中得到广泛应用。
例如，铂催化剂常用于氢气与氧气的反应生成水，而铁催化剂则常用于氨的合成反应。
金属催化剂通常具有较高的催化活性和选择性，但其应用受到成本和毒性等因素的限制。
2. 酸碱催化剂：酸碱催化剂是一类广泛使用的催化剂。
酸催化剂常用于酯化反应、酮脱水反应等，而碱催化剂常用于酯的加水解反应等。
酸碱催化剂具有良好的反应活性和选择性，可广泛应用于有机合成领域。
3. 酶催化剂：酶是一类生物催化剂，广泛存在于生物体内。
酶催化剂具有高催化效率和高选择性，可以在温和的条件下催化各种生物转化反应，如葡萄糖酶催化葡萄糖的水解反应等。
酶催化剂在医药、食品和酿造等领域具有重要应用价值。
四、催化剂的重要性催化剂在化学工业和科学研究中具有极其重要的地位和作用。
首先，催化剂可以提高化学反应的速率，从而大大提高了反应的产率和效率。
其次，催化剂可以在温和的条件下进行反应，避免高温和高压条件对反应物造成的不可逆损害。
金属催化剂及其催化作用
金属催化剂及其催化作用引言催化是一种重要的化学过程，它可以通过降低能量势垒的方式加速化学反应的速率。
金属催化剂作为一类常用的催化剂，广泛应用于有机合成、能源转化等领域。
本文将介绍金属催化剂的定义、分类以及其在化学反应中的催化作用。
金属催化剂的定义与分类金属催化剂是指能够在化学反应中加速反应速率，且在反应结束时保持不变的金属物质。
金属催化剂能够通过提供活性位点、调控反应的能垒、吸附反应物等方式实现催化作用。
根据催化剂的组成，金属催化剂可以分为两类：一类是纯金属催化剂，即单一金属元素或金属合金；另一类是负载型金属催化剂，即将金属颗粒负载于支撑物上。
负载型金属催化剂具有较大的比表面积和较高的催化活性，常用的负载物包括二氧化硅、氧化铝等。
金属催化剂还可以根据金属的化学性质进行分类。
常见的金属催化剂包括贵金属催化剂（如铂、钯、铑等）、过渡金属催化剂（如铁、铜、镍等）以及稀土金属催化剂（如钕、镧等）。
不同类型的金属催化剂具有不同的催化特性，适用于不同类型的化学反应。
金属催化剂的催化作用金属催化剂在化学反应中主要通过以下几个方面发挥作用：1.提供活性位点：金属催化剂上的金属离子或金属表面可以提供活性位点，吸附并激活反应物。
活性位点能够有效降低化学反应的活化能，加速反应速率。
2.调控反应的能垒：金属催化剂可以通过调整反应物与催化剂间的作用力，改变反应的活化能。
例如，在氢气化反应中，贵金属催化剂能够吸附氢气并削弱键合，从而降低氢与反应物之间的能垒，促进反应进行。
3.提供电子转移：金属催化剂可以通过提供或接收电子的方式参与反应。
贵金属催化剂常常参与电子转移反应，如氧化还原反应，通过调控电子转移过程来加速反应速率。
4.分子催化：金属催化剂中的金属离子或金属表面可以与反应物发生直接的化学反应，形成中间体，进而促进反应进行。
这种分子催化机制在有机合成中具有重要的应用价值。
金属催化剂的应用金属催化剂在化学合成、能源转化等领域具有广泛的应用。
工业催化3.3-金属及合金催化剂及其催化作用ppt课件
一般 d%可用于解释多晶催化剂的活性大小，但 不能说明晶面上的活性差别。
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金属晶格间距与乙烯加氢活性的关系
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4.表面原子水平的不均匀性和催化活性
金属催化剂的表面是不均匀的，存在着各种不同 类型的表面位。可用原子表面的TSK模型：即台阶 （Terrace）、梯阶（Step）、和拐折（Kink）模型。 在表面上存在的拐折、梯阶、空位、附加原子等表面 位，对催化反应而言，都是活性较高的部位。
Fcc 面心立方
Bcc 体心立方
Hcp密排六方
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头二类为主要的金属催化剂。几乎所有的金属催化剂都是过 渡金属。而过渡金属催化剂的活性组分是第Ⅷ族和第ⅠB族金属。
金属催化作用理论ppt课件.ppt
以Ni为例： Ni原子：1s22s22p63s23p64s23d84p
电子轨道没有任何相互作用
达到范德华（V.D.W）半径时，电 子轨道将要发生相互作用
RNi-Ni＜R2×VDW时，Ni原子之间将 要发生电子轨道相互作用，出现 电子轨道重叠，形成金属键。
1. 暴露表面以低表面能的晶面为主 surfaces of low surface free energy will
be more stable. The most stable surfaces are those with : • a high surface atom density • surface atoms of high coordination number
• 具体内容有：
Ⅰ、与d电子轨道有关的电子因素，即能 量因素如何影响催化剂的吸附选择性、吸附力 的强弱、催化性能等，即催化的电子论
Ⅱ、晶体结构因素（也称；几何因素）， 即（晶胞大小、晶面取向、晶粒大小、晶体表 面结构）与（吸附、催化）之间的关系，即催 化的几何论
§1、金属催化的电子论
能带理论、价键理论
1、晶胞 • 晶胞是晶体的最小重复单位，采用晶胞参数
来确定。
立方晶胞： a＝b＝c α＝β＝γ＝900
四方晶胞：a＝b≠c α＝β＝γ＝900
三斜晶胞：a≠b≠c α≠β≠γ
2、晶面 晶面：是晶体在各个方向上的截面。相同
方向的截面，不仅具有相同的二维空间结构， 而且是相互平行的，晶面间距也相等，称晶面 距。
④、 金属间化合物催化剂，如Cu3Au、 CuAu3、 Ni29Al10、 Ni15Al
• 过渡金属催化剂有二大特点： Ⅰ、在反应气氛如H2、O2气下，过渡金
有机合成中的金属催化反应
有机合成中的金属催化反应金属催化反应是有机合成领域中一种重要的合成策略。
通过金属催化反应，可以实现高效、高选择性的化学转化，为有机化学合成提供了广阔的发展空间。
本文将介绍金属催化反应的原理、应用以及一些成功的案例。
一、金属催化反应的原理金属催化反应主要是指在有机化合物的转化过程中，通过金属配合物作为催化剂来促进反应的进行。
金属催化反应的原理可以归结为以下几个关键步骤：1. 活化底物：金属催化剂能够与底物形成键合，从而活化底物，使其更容易进行反应。
这种活化可以发生在底物的氢、氧、氮等原子上，也可以通过有机分子的C-C和C-X键上发生。
2. 氧化还原：金属催化剂在反应过程中可以参与氧化还原反应，促进底物的氧化或还原。
金属催化剂作为氧化剂或还原剂可以转移电子，从而改变底物的电子状态，使其发生化学转化。
3. 配位或成键：金属催化剂与底物之间发生配位或成键反应，形成活性中间体。
这些中间体在反应过程中发挥重要作用，可以进一步催化底物的转化。
二、金属催化反应的应用金属催化反应在有机合成中具有广泛的应用。
能够实现的转化类型包括但不限于碳-碳键、碳-氮键、碳-氧键、碳-硫键以及氢转移反应等。
通过选择合适的金属催化剂以及反应条件，可以高效地合成各种有机化合物。
1. 碳-碳键形成：金属催化反应可以实现碳-碳键的形成，包括交叉偶联反应、烯烃和炔烃的环化反应、直接烷基化等。
这些反应对于药物和天然产物的合成具有重要意义。
2. 碳-氮键形成：金属催化反应在碳-氮键形成反应中也发挥着重要的作用，例如羟胺和羧酸的缩合反应、亲电取代反应以及氨基化反应等。
这些反应可以方便地合成含有氮元素的有机化合物。
3. 碳-氧键形成：金属催化反应可以实现碳-氧键的形成，例如醇和醚的合成、酯和酸的加成反应等。
这些反应对于合成酯、酮等化合物具有重要意义。
4. 碳-硫键形成：金属催化反应还可以实现碳-硫键的形成，包括硫醚的合成以及烯烃和硫醇的环化反应等。
金属催化剂及其催化剂作用机理
金属催化剂及其催化剂作用机理作者: 可可西里发布日期: 2008-09-081.金属催化剂概述金属催化剂是一类重要的工业催化剂。
主要包括块状催化剂，如电解银催化剂、融铁催化剂、铂网催化剂等；分散或者负载型的金属催化剂，如Pt-Re/-Al2O3重整催化剂，Ni/Al2O3加氢催化剂等；6.3 金属催化剂及其催化剂作用机理金属互化物催化剂，如LaNi5可催化合成气转化为烃，是70年代开发的一类新型催化剂，也是磁性材料、储氢材料；金属簇状物催化剂，如烯烃氢醛化制羰基化合物的多核Fe3(CO)12催化剂，至少要有两个以上的金属原子，以满足催化剂活化引发所必需。
这5类金属催化剂中，前两类是主要的，后三类在20世纪70年代以来有新的发展。
几乎所有的金属催化剂都是过渡金属，这与金属的结构、表面化学键有关。
金属适合于作哪种类型的催化剂，要看其对反应物的相容性。
发生催化反应时，催化剂与反应物要相互作用。
除表面外，不深入到体内，此即相容性。
如过渡金属是很好的加氢、脱氢催化剂，因为H2很容易在其表面吸附，反应不进行到表层以下。
但只有“贵金属”（Pd、Pt，也有Ag）可作氧化反应催化剂，因为它们在相应温度下能抗拒氧化。
故对金属催化剂的深入认识，要了解其吸附性能和化学键特性。
2．金属和金属表面的化学键研究金属化学键的理论方法有三：能带理论、价键理论和配位场理论，各自从不同的角度来说明金属化学键的特征，每一种理论都提供了一些有用的概念。
三种理论，都可用特定的参量与金属的化学吸附和催化性能相关联，它们是相辅相成的。
（1）金属电子结构的能带模型和“d带空穴”概念金属晶格中每一个电子占用一个“金属轨道”。
每个轨道在金属晶体场内有自己的能级。
由于有N个轨道，且N很大，因此这些能级是连续的。
由于轨道相互作用，能级一分为二，故N个金属轨道会形成2N个能级。
电子占用能级时遵从能量最低原则和Pauli原则（即电子配对占用）。
故在绝对零度下，电子成对从最低能级开始一直向上填充，只有一半的能级有电子，称为满带，能级高的一半能级没有电子，叫空带。
金属氧化物催化剂及其催化作用
化工生产中的金属氧化物催化剂
在化工生产中，金属氧化物催化剂被广泛应用于有机合成和 化学反应过程。这些催化剂能够加速化学反应速率，提高产 物的选择性。
例如，在醋酸的生产中，金属氧化物催化剂能够促进乙烷的 氧化反应，提高醋酸的收率和纯度。在合成氨工业中，金属 氧化物催化剂能够促进氮和氢的反应，提高合成氨的产量。
可用于燃料电池的氧还原反应。
02
金属氧化物催化剂的催化作用机制
金属氧化物催化剂的活性中心
金属离子
金属离子是金属氧化物催化剂的主要活性中心，其价态变化对催化反应具有重 要影响。
氧空位
氧空位是金属氧化物中的一种重要缺陷，能够提供反应活性位点，影响催化反 应的活性和选择性。
金属氧化物催化剂的催化反应类型
载体材料
选择具有合适物理化学性质和稳定性的载体材料，如耐高温、耐 腐蚀、高比表面积等。
载体结构
设计合适的载体结构，如孔径、比表面积、孔容等，以提供良好的 催化反应界面和扩散性能。
载体与活性组分的相互作用
优化载体与活性组分之间的相互作用，以提高催化剂的稳定性和活 性。
金属氧化物催化剂的表面改性
表面组成
金属氧化物催化剂的应用领域
石油化工
金属氧化物催化剂在石油化工领域中广泛应用于烃类选择 性氧化反应，如烷烃的氧化制取醇、醛等。
环保领域
金属氧化物催化剂在处理工业废气、废水等环保领域中也有广 泛应用，如V2O5-WO3/TiO2催化剂可用于处理硫化氢气体。
新能源领域
随着新能源技术的不断发展，金属氧化物催化剂在燃料电池、 太阳能电池等领域中也得到了广泛应用。例如，RuO2催化剂
04
金属氧化物催化剂的性能优化
金属氧化物催化剂的活性组分优化
_金属催化剂及催化作用
1 金属催化剂的结构
（B）能带理论模型
该理论模型认为，金属中原子间的相互结合能来源于荷正电的离子和价电子之间的静 电作用。原子中内壳层的电子是定域的，原子中不同能级的价电子组成能带，如对过 渡金属就可形成s能带、p能带和d能带等。下图是金属铜的能带组成示意模型。
铜原子中所固有的各个分立能级，如s、p、d等会发生重叠而形成相应能带，形成的 能带内也会有交叉。由于能带的重叠和交叉，其电子的填充也有些不同。
1 金属催化剂的结构
典型的金属晶格有如下三种：
（1）体心立方结构（bcc）
（a）体心立方晶格的晶胞； （b）体心立方晶格中原子的堆积模型
1 金属催化剂的结构
（2）面心立方结构（fcc或ccp）
（a）面心立方晶格的晶胞； （b）面心立方晶格中原子的堆积模型
1 金属催化剂的结构
（3）六方密堆结构（hcp）
面心立方金属Pt [557]表面台阶 结构是由台面— 台阶—扭折所 构成，可表示为： Pt(s) – [6 (111) × (100)] – [011] 表示 Pt 的台面指标 (111) 有 6 个 原子列宽，台阶侧面指标(100) 高度为一个原子层，台面与台 阶相交的晶列方向为[011]，由 于这种台阶的表面结构与密勒 指数为[557]的Pt 晶面相交，因 此通常不用比较复杂的台阶结 构表示法，而用Pt [557]表示即 可。
（A） 几何结构适应原则
在多相催化反应中，反应物分子起反应的部分常常只涉及少数原子，催化剂中活性 中心也只是由某几个原子所组成的所谓多位体 (multiplet)。实现催化反应的基本步骤 就是反应分子中起反应的部分与催化剂的多位体之间的作用。这种相互作用不仅能 使反应物分子的部分价键发生变形，而且会使部分原子活化，促使新键的生成。常 见的多位体有二位体、三位体、四位体、六位体。 二位体活性中心由催化剂上两个原子组成，其催化反应过程可用下列模式表达，如 醇类脱氢可写成：
催化剂在化学反应中的作用
催化剂在化学反应中的作用催化剂是一种能够在化学反应中加速反应速率的物质，其作用是通过提供反应路径上的新路线降低反应的活化能，从而使反应更快地进行。
催化剂广泛应用于各种化学反应中，例如用于加氢、氧化、聚合、分解和脱氢等反应。
本文将探讨催化剂的作用机理、分类和应用。
一、催化剂的作用机理催化剂能够加速反应的速率是因为它改变了反应的路径。
在反应中，反应物的原子或分子需要克服一个活化能垒才能转化为产物。
这个活化能垒是由反应物原子或分子之间的键能差异引起的。
催化剂能够降低反应物转化为产物所需的活化能垒，是因为它提供了一条新的反应路径。
该路径使反应物转化为产物所需的能量更低，从而使反应更快。
在催化剂作用下，反应物与催化剂之间会形成一个中间物种。
这个中间物种能够更容易地转化为产物，并释放出催化剂。
这使得催化剂可以多次使用，从而降低了反应的成本。
二、催化剂的分类催化剂根据其化学性质和反应机理可以分为以下几种：1.酸催化剂酸催化剂是指在酸性条件下能够加速反应速率的催化剂。
它们通常是质子酸，例如HCl、H2SO4和H3PO4等。
酸催化剂常用于加成、酯化、缩合和裂解等反应。
2.碱催化剂碱催化剂是指在碱性条件下能够加速反应速率的催化剂。
它们通常是氢氧化物或氨基化合物，例如NaOH、KOH和NH3等。
碱催化剂常用于酯化、加成、聚合和脱羟等反应。
3.金属催化剂金属催化剂是指在金属表面或金属离子的存在下能够加速反应速率的催化剂。
它们通常是贵金属，例如铂、钯和铑等。
金属催化剂常用于氢化和氧化等反应。
4.酶催化剂酶催化剂是指在酶的存在下能够加速生物反应的催化剂。
它们通常是在生物体内产生的特异性蛋白质。
酶催化剂常用于代谢和合成等反应。
三、催化剂的应用催化剂广泛用于工业生产中的各个方面。
以下是几个常见的应用：1.石化行业石化行业是催化剂的重要应用领域之一。
几乎所有石化反应都需要催化剂，例如精炼、裂解、加氢和脱氢等反应。
例如，世界上70%以上的乙烯、甲醇和丙烯等化学品是通过催化剂合成的。
金属催化剂
金属催化剂概述金属催化剂是一种在化学反应中起催化作用的金属物质。
金属催化剂在许多重要化学反应中起到关键的作用，例如有机化学合成、环境保护、能源转换等领域。
金属催化剂具有高活性、选择性和稳定性的特点，使其在各种反应中具有广泛的应用潜力。
催化原理金属催化剂通过提供活性位点来降低反应的活化能，从而加速反应的速率。
金属催化剂通常以金属离子的形式存在，而金属离子能够在活性位点上吸附反应物，并参与反应的中间步骤。
金属离子可以通过调整反应物的电子结构、提供活性基团或吸附反应物来促进反应的进行。
金属催化剂的活性和选择性取决于其表面的活性位点。
不同的金属催化剂具有不同的表面活性位点，因此在不同的反应中具有不同的催化活性和选择性。
金属催化剂的表面活性位点可以通过控制催化剂的组成、结构和形貌来调控。
常见金属催化剂铂族金属铂族金属是最常见的金属催化剂之一。
铂族金属包括铂、钯、铑、钌、铱和铅等元素。
这些金属催化剂具有良好的催化活性和选择性，在有机合成、燃料电池等领域得到广泛应用。
例如，铂催化剂常用于氧化反应、加氢反应和羰基化反应等有机合成反应中。
过渡金属除了铂族金属外，过渡金属也是常见的金属催化剂。
过渡金属包括铁、镍、钼、铬等元素。
过渡金属催化剂具有丰富的电子结构和多样的催化中心，因此在多种有机合成反应中表现出良好的催化活性和选择性。
例如，铁催化剂在氧化反应、还原反应和氢化反应中显示出优异的催化性能。
单原子合金单原子合金是一种由单个金属原子和零维催化剂组成的材料。
单原子合金以其高催化活性和高选择性而备受关注。
单原子合金能够提供丰富的活性位点，并且具有优异的催化性能。
单原子合金可用于氧化反应、还原反应、催化裂化等许多反应中。
应用领域金属催化剂在各个领域都有广泛的应用。
以下是金属催化剂在一些重要领域的应用案例：有机合成金属催化剂在有机合成中起到重要作用。
例如，铂催化剂可用于有机氧化反应和有机加氢反应。
过渡金属催化剂可用于碳—碳键形成反应、选择性催化还原反应等。
金属催化剂及其催化作用
d%即为d轨道参与金属键的百分数。
金属Ni成键时的杂化方式
Ni-A：杂化轨道d2sp3中，d轨道成分为2／6； Ni-B：杂化轨道d3SP2和一个空轨道中，d轨道成分占3／7； Ni原子d轨道对成键贡献：30％×2/6+70％×3/7＝40％，
3） ΦI 两者各自提供一个电子共享，形成共价键
4） 反应物带有孤对电子，金属催化剂有接受电子对的部 位，形成配位键，产生 L 酸中心
控制步骤与化学吸附：
1）生成负离子吸附态是反应的控制步骤，要求金属表 面容易给出电子，Φ小
2）生成正离子吸附态是反应的控制步骤，要求金属表 面容易得到电子，Φ大
3）生成共价吸附态是反应的控制步骤，要求Φ≈I
金属元素以单个原子存在，电子层结构存在着 分立的能级，电子属于一个原子。
金属元素以晶体形式存在，金属原子紧密堆积， 原子轨道发生重叠，分立的电子能级扩展成为 能带。
电子共有化：电子能在金属晶体中自由往来的 特征，电子不属于某一个原子，属于整个晶体。
能带的形成
最外层或次外层电子存在显著的共有化特征，
“d带空穴”与催化活性
有d带空穴就能与被吸附的气体分子形成化学吸 附键，生成表面中间物种，使之具有催化性能
d带空穴愈多，末配对电子愈多，化学吸附愈强。 Pd、Cu、Ag、Au元素d轨道是填满的，但相邻
的s轨道上没有填满。在外界条件影响下（升 温)d电子跃迁到s轨道形成d带空穴，产生化学 吸附
“d带空穴”与催化活性
对某一反应，要求催化剂具有一定的“d带空穴”， 但不是愈多愈好。
当d带空穴数目=反应物分子需要电子转移的数目， 产生的化学吸附中等，才能给出好催化活性
催化剂的种类及作用机理
催化剂的种类及作用机理催化剂是一种可以加速化学反应进程的物质，具有很重要的工业应用和科学价值。
催化剂既能提高反应速率，又能增加反应选择性，同时可节约原料和降低能耗。
催化剂的种类很多，每种催化剂都有其特定的作用机理。
本文将就催化剂的种类及作用机理进行详细介绍。
1.金属催化剂金属催化剂广泛应用于有机合成和精细化工领域。
它们可以通过对反应物分子的键断裂和形成进行催化，提高反应速度。
金属催化剂的机理主要包括两个方面：第一，金属离子可以吸附在反应物表面上，通过改变化学键的键能，减小反应过渡态的能量；第二，金属离子可以在反应物表面上形成活性中间体，从而产生新的反应路径，并促进反应进行。
2.酸碱催化剂酸碱催化剂广泛应用于涉及质子交换、氧化还原和酸碱中和等反应的领域。
酸碱催化剂可以促进反应物中的离子化或共轭，并在反应物之间传递质子。
酸碱催化剂能够吸附反应物分子，使之变得更容易反应，从而减少反应的活化能。
由于酸碱催化剂主要作用于反应物分子本身，因此它们通常是非选择性催化剂。
3.酶催化剂酶催化剂是一种特殊的催化剂，它们主要应用于生化反应。
酶催化剂可以通过特定的基团结构，与反应物中的亲基或亲电子取得联系。
通过与反应物结合、分解或合成新的键，酶催化剂可以促进反应的进行。
酶催化剂具有选择性催化的特点，能够加速特定的反应，而不会对反应物质造成不良影响。
4.氧化催化剂氧化催化剂通常用于涉及氧化反应的领域。
氧化催化剂可以通过向反应物中引入氧分子，促进反应的进行。
氧化催化剂可以通过氧化还原反应，促进反应物的氧化，并生成一定的中间产物。
只有通过氧化催化剂的作用，反应才能够完成。
不仅如此，一些氧化催化剂还能够从碳氢化合物中除去二氧化碳，减少对环境的污染。
5.光催化剂光催化剂主要应用于涉及与光反应有关的领域。
它们可以通过吸收光子而获得足够的能量，以加速反应物的分解或合成。
光催化剂通常包括半导体纳米晶体和金属-有机框架。
它们可以通过光电子效应产生电子空穴对，以激活反应物分子，并促进反应的进行。
金属催化剂
金属催化剂引言金属催化剂是一种用于催化化学反应的催化剂，其中金属作为活性中心。
金属催化剂广泛应用于工业生产、能源转换、环境保护等领域。
本文将介绍金属催化剂的基本原理、应用领域和常见的金属催化剂。
基本原理金属催化剂通过吸附活性物种，降低反应活化能，加速化学反应的速率。
金属常以金属离子或金属氧化物的形式存在于催化剂中，并与反应物发生相互作用。
金属催化剂可以提供活化中心，吸附反应物，调节反应物的构象和电子分布，从而促进反应的进行。
金属催化剂中常见的金属有：铂、钯、铂-铑、钼、铑、铁、铑-铱等。
这些金属在催化反应中具有不同的作用机制，例如铂和钯常用于氢化反应、催化加氢反应和氧化反应，而钼常用于硫化反应和氧化脱氢反应。
金属催化剂中常见的载体有：氧化物、碳材料、二氧化硅等。
载体可以提供比金属更高的比表面积，增加催化剂的活性。
此外，载体还可以提供稳定性和抵抗毒性物质的能力，延长催化剂的使用寿命。
应用领域化学合成金属催化剂在化学合成中被广泛应用。
例如，铂催化剂可用于酮的氢化反应，钯催化剂可用于烯烃的氢化反应。
金属催化剂还可以用于有机合成中的选择性氧化反应、偶联反应等。
能源转换金属催化剂在能源转换领域具有重要的应用价值。
例如，铂催化剂广泛应用于燃料电池中，用于氧气还原反应。
此外，钼催化剂可用于催化剂甲醇重整反应，铂-铑催化剂可用于催化剂汽油重整反应。
环境保护金属催化剂在环境保护中起到重要的作用。
例如，铁催化剂可用于催化剂氯化有机物的降解，铑催化剂可用于催化剂挥发性有机化合物的氧化反应。
金属催化剂还可用于汽车尾气的催化剂转化。
常见的金属催化剂铂铂催化剂是最常用的金属催化剂之一。
它具有良好的抗毒性能力和稳定性，广泛应用于石油化工、有机合成等领域。
铂催化剂常用于氢化反应、氧化反应和还原反应等。
钯钯催化剂具有良好的选择性和活性，广泛应用于化学合成和有机合成中。
它常用于氢化反应、偶联反应和选择性氧化反应等。
铂-铑铂-铑催化剂是一种复合催化剂，具有高的催化活性和选择性。
金属氧化物催化剂催化原理
金属氧化物催化剂催化原理
一、表面吸附
金属氧化物催化剂的表面吸附是催化作用的关键步骤之一。
在反应过程中，反应物分子会吸附在催化剂的表面，形成表面络合物。
这些表面络合物可能是反应的中间产物，也可能是催化剂与反应物的相互作用产物。
通过表面吸附，反应物被固定在催化剂表面，增加了反应物质在催化剂表面的浓度，从而提高了反应速率。
二、电子转移
金属氧化物催化剂的电子转移是催化作用的另一个重要环节。
在催化过程中，催化剂通过接受或捐赠电子，对反应进行促进或抑制。
对于金属氧化物催化剂来说，其电子结构会影响其对电子转移的能力。
通过调整催化剂的电子结构，可以实现对反应的促进或抑制。
三、酸碱催化
金属氧化物催化剂通常具有酸碱性质，可以提供酸性或碱性环境。
在酸性环境中，催化剂可以提供质子，促进酸性催化反应；在碱性环境中，催化剂可以接受质子，促进碱性催化反应。
通过酸碱催化，金属氧化物催化剂可以促进特定反应的进行。
四、结构导向
金属氧化物催化剂的结构对其催化活性有很大影响。
催化剂的结构可以通过调整其组成、制备方法等因素来改变。
通过优化催化剂的结构，可以实现对特定反应的高效催化。
五、协同效应
金属氧化物催化剂的协同效应是指不同组分之间的相互作用对催化活性的影响。
在多组分催化剂中，不同组分之间可以产生协同效应，从而提高催化剂的整体活性。
协同效应可以是电子转移、酸碱催化或其他相互作用的结果。
通过协同效应，金属氧化物催化剂可以实现更高效的催化效果。
工业催化--第6章+络合催化剂及其催化作用
π反馈键
在金属羰基配位化合物如Ni(CO)4、Fe(CO)5中，配
位体一方面以电子对给予体的形式和金属原子形成
σ配键，M←CO； 另一方面又用空的反键π*轨道和金属原子的d轨道重
叠，从金属原子那里接受电子形成 π键，M →CO，
称反馈键。 因此，M—CO间的化学键为σ-π配键。能形成反馈键
Co的电子排列：3d74s2 4个配位体提供8个电子
总价电子数17
与H络合成为18电子络合物
6.3 络合空位的形成、反应物的活化和 络合催化剂的调变
6.3.1 络合空位的形成
过渡金属提供合适的络合空位
配位饱和没有空位
配位不饱和具有空位
提供络合空位的方法： （1）改变金属离子的对称性环境
的配位体还有乙烯、乙炔、异腈、亚硝酰
Pd2+的dxz 轨道电子部分进入乙烯的π*反键轨
道，相当于把乙烯成键轨道的电子部分激发 到能量较高的反键轨道，导致双键的削弱， 活化了乙烯的π键
2.CO的络合活化
σ - π 键实际效果是将 CO成键轨道中的电子拉到反 键轨道中，消弱C-O键，有利于CO的反应
2.配位体类型：
（1）只有一对孤对电子，NH3,H2O （2）只含有一个电子的单电子轨道 （3）含有两个/多个孤对电子 （4）既有满轨道又有空轨道
6.2.3 络合物氧化加成与还原消除反应
氧化加成反应：反应物键断裂，加成到金属 中心，使金属中心形式电荷增加
还原消除反应：反应物加成到金属中心，使 金属中心形式电荷减少
TiCl4: 饱和四面体
TiCl4---AlR3：R转移到TiCl4上，四面 体转变为具有一个空位的五配位八面体
金属催化剂机理
金属催化剂机理引言：金属催化剂是一种常见的催化剂，广泛应用于化学反应中。
金属催化剂可以提高反应速率、改善反应选择性，并且可以在较低温度和压力下进行反应。
本文将探讨金属催化剂的机理，包括催化剂活性位点、中间体形成以及反应速率等方面。
一、催化剂活性位点金属催化剂的活性位点是催化反应中发挥作用的关键因素。
在金属催化剂表面，通常存在着一些活性位点，如金属表面上的缺陷、边缘、凹陷等。
这些位点具有较高的能量，可以吸附反应物分子，并提供所需的活化能。
二、中间体形成金属催化剂可以通过吸附反应物分子形成中间体，进而促进反应的进行。
在吸附过程中，反应物分子与催化剂表面发生相互作用，形成吸附态中间体。
这些中间体具有较高的反应活性，可以进一步参与反应，从而加快反应速率。
三、反应速率金属催化剂能够降低化学反应的活化能，从而提高反应速率。
在催化反应中，金属催化剂通过与反应物分子之间的相互作用，改变反应物的能垒。
这使得反应物分子容易穿越能垒，从而加速反应的进行。
四、金属催化剂的种类和应用金属催化剂种类繁多，常见的有铂、钯、铑、铱等贵金属催化剂，以及铁、镍、铜等过渡金属催化剂。
不同的金属催化剂在不同的反应中具有不同的催化活性和选择性。
例如，铂催化剂常用于氧还原反应、氢化反应等；铁催化剂常用于有机合成反应等。
金属催化剂在化学工业中有广泛的应用，如制备有机化合物、合成新材料、催化裂化等。
结论：金属催化剂通过提供活性位点、促进中间体形成以及降低反应活化能等方式发挥催化作用。
金属催化剂的机理是一个复杂的过程，涉及到多个方面的相互作用。
深入理解金属催化剂的机理对于优化催化剂设计和提高催化反应效率具有重要意义。
参考文献：1. Zhao, Z.; Zhang, L.; Huang, Z.; He, C.; Liang, J. Electronic and geometric effects of PdAu nanoalloys for the electrocatalytic reduction of oxygen. Catalysis Science & Technology, 2016, 6(18): 7131-7138.2. Chen, Y.; Huang, Z.; Liang, J.; Chen, Y.; He, C. Synergistic effect of AuPd nanoalloys for catalytic oxidation of benzylalcohol. Catalysis Today, 2017, 297: 215-221.3. Zhang, Y.; Chen, D.; He, C.; Zhao, Z.; Liang, J. Shape-controlled synthesis of PdCu nanocrystals and their catalytic properties for the reduction of 4-nitrophenol. Journal of Colloid and Interface Science, 2018, 527: 144-151.。
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第六章金属催化剂催化作用章节分配一、金属催化剂重要类型及重要催化反应示例二、乙烯环氧化催化作用1. 乙烯环氧化工业催化剂2. 乙烯环氧化反应机理3. 乙烯环氧化中助催剂、促进剂的作用及新型催化剂三、氨合成催化剂催化作用1. 合成氨催化剂简况2. 熔铁催化剂的结构3. 各种助剂的作用及含量的最佳值范围4. 氨合成铁催化剂活性中心模型及其作用机理四、烃类催化重整催化剂作用原理1. 催化重整反应及重整催化剂2. 烃类在过渡金属上的吸附态及烃类脱氢3. 催化重整作用机理五、其他重要类型金属催化剂简介1. 镍系催化剂2. 裂解气中炔烃选择加氢催化剂六、金属催化剂的电子迁移、d空穴与催化活性七、多位理论的几何因素与能量因素八、对多位理论及电子理论的评价金属催化剂是固体催化剂中研究得最早、最深入，同时也是获得最广泛应用的一类催化剂，例如，氨的合成(Fe)和氧化(Pt)，有机化合物的加氢(Ni，Pd，Pt，等)、氢解(Os, Ru，Ni，等)和异构(Ir，Pt，等)，乙烯的氧化(Ag)，CO的加氢(Fe，Co，Ni，Ru，等)以及汽车尾气的净化(Pt，Pd，等)等等。
其主要特点是具有很高的催化活性和可以使多种键发生开裂。
(1) 自从上世纪P．Sabatier发现金属镍可催化苯加氢生成环己烷以来，迄今除金属催化剂以外，尚未发现过能催化这一反应的其它类型催化剂．又如，乙烷氢解对金属催化剂来说并非难事．然而除金属催化剂之外，也末发现可使乙烷加氢分解的别种催化剂，另外，如众所周知，F—T合成也只有在金属催化剂上才能进行等等．那么，金属催化剂之所以具有这种高的活性，其内在因素是什么?(2)所有金属催化剂几乎都是过渡金属，而且，金属催化剂的功能又都和d 轨道有关，这是为什么?(3)当过渡金属催化剂按其活性排列时，对每个反应都有自己独有的序列，即使对每类反应，至今也未发现它们有相同的序列，什么是决定这种序列的内在因素?(4)对一个反应来说，为什么同类金属又常常有明显不同的选择性?(5)对某些反应来说，单位表面积的催化活性决定于金属的晶面、金属晶粒的大小(如果金属是负载着的)，载体以及制法，为什么对活性有这种差别?又怎样和反应相联系?(6)由两种金属制成的合金催化剂，其催化功能随组分有强大变化，而且又明显地取决于所研究的反应，产生这些效果的原因是什么?表6-1 金属催化剂类型(按制备方法划分)一、金属催化剂的特征金属催化剂和均相金属配合物催化剂相对比，有下面最具特征的事实。
(一)有裸露着的表面，这一事实包含着以下三种含义：1、前已述及，配合物中心金属的配位部位可以为包括溶剂在内的配体所全部饱和，而对具有界面的固体金属原子来说，至少有一个配位部位是空着的。
2、金属配合物在溶液中总是移动着的，而且可互相碰撞，以至在配体之间发生交换并保持一种微观的动态上的平衡．但是，固体表面的金属原子则是相对固定的，不能相互碰撞，因此，从能量上来说，处于各种各样的亚稳状态．3、配体的性质不同，在固体金属中，金属原子四周的邻接原子——配体都是相同的金属原子本身，因此，与此相关的热力学上的稳定性也就不同．(二)金属原子之间有凝聚作用．和上述3有关，在金属中，金属原子之间有相互凝聚的作用．这是金属之所以具有较大导热性、导电性、展延性以及机械强度等的原因，同时，也反映了金属原子之间化学键的非定域性质。
金属的这种非定域性质使其获得了额外的共轭稳定化能，从而在热力学上具有较高的稳定性．所以金属是很难在原子水平上进行分散的．下面是一些实验事实。
1、金属原子尽管在适当配体作用之下，可以避免进一步凝聚而形成所谓的原子簇化合物．金属原子簇化合物如本书第五章所述，从其结构化学以及化学键理论来看，可以看作金属催化剂的模型，但是，从含底物的催化体系的热力学稳定性的观点加以分析，那么，它和真正的金属催化剂有着明显的区别。
2、金属原子通过金属键凝聚达到稳定的原动力，就在于金属原子之间有很强的集合在一起的倾向，这从金属的原子化热远大于相似配合物的键能得到证明。
3、在由浸渍法制取金属载体催化剂时，可以清楚地看到，原来的金属离子，是在分散状态下被还原成金属原子的；在还原过程中，生成的金属原子确实具有甩开载体而相互吸引的凝聚力。
4、以“相”的形式参与反应。
当固体金属显示出有催化活性时．金属原子总是以相当大的集团，而不是像配合物催化剂那样以分子形式与底物作用，也就是说，金属是以相当于热力学上的一个“相’的形式出现的．这是金属催化剂在热力学上的又一特征。
在催化反应中，由于金属具有上述的非定域化作用，所以，诸如金属的颗粒大小，金属晶面的取向，晶相的种类以及关系到这些性质的制备方法，都对催化剂的性质有明显的影响。
通过以上对固体金属催化剂和金属配合物催化剂的对比，金属催化剂的特征可概括为：二、过渡金属表面上的表面“配合物”过渡金属及其氧化物与过渡金属配合物催化性质之间的相似性已被引起广泛的注意。
例如它们都能催化有氢和烯烃参与的反应，从上述这些类似性已可以得出以下结论：过渡金属及其化合物的吸附和催化活性应有同一原因，显然，催化活性是由化学吸附分子和过渡金属表面上的单个原子借助于d轨道形成表面“配合物”而产生的．例如前一章描述的过渡金属氧化物的情况也与此类似．至于说到金属的高导电性，那么，这个性质当然在某些情况下可以保证“使吸附分子带有应有的电荷，并使氧化—还原过程易于进行”，然而它并非过渡金属催化剂作用的根本原因。
三、金属催化剂的电子送移、d空穴与催化活性金属原子中的价电子在原子间高度公共化．用化学键的观点来说，就是金属原子间所构成的化学键是个特大的共扼体系，电子云高度离域化。
由此就提出一个问题，作为多相催化作用第一步的化学吸附，它在表面上虽然是与一个或几个原子作用，但是因为原子间的化学键彼此沟通，这种金属聚集态的性质，在多大程度上影响了化学吸附？既然价电子在原子间沟通，整块金属晶粒就应看成为一个整体．可以认为，化学吸附是作用物(反应物)与催化剂间的电子迁移过程．催化剂的电子能级及电子占有状态，可借用固体物理过程中的能带论来讨论。
按金属与作用物双方的最高电子占有能级及最低末填充能级的相对位置，决定电子由金属流向作用物(负离子吸附)，或者由作用物流向金属(正离子吸附)，或者两者共享电子对，形成共价吸附。
曾进行一些实验来验证这种模型．例如测定气体在金属膜(如W、Ta、Pt等)吸附后的输出功、膜电阻、磁化率等性质的变化。
其大致结果如表6-3所示。
对CO、N2O而言，说明电子迁移方向是从金属催化剂到作用物．但对H2、O2而言，出现某些不一致的情况。
又如NH3的同位素交换反应：D2 + NH3 NH2D + HD，其反应活性与输出功的关系，如图8—l 6所示．从图中可看出，线性关系不好．看来，单纯用电子迁移能力，不可能真实反映客观情况．这是因为催化作用是一种化学作用，应当注意作用时的轨道的方向与对称性。
起先，曾将过渡金属的d状态与催化活性进行关联．固体物理能带论描述过渡金属的d状态是采用所谓的“d空穴”概念。
例如Ni原子的外层电子为3d84s2，当Ni原子互相接近，组成金属固体时，由于s带变宽，s电子部分填充在3d带中．这样，每个原子平均有9.4个电子在3d带中，0.6个电子在4s带中．d带本来可填充10个电子，所以仍有0.6个空穴，称为d带空穴．如图8—17所示．d 带空穴愈多，说明末配对的d电子愈多，其呈现的磁化率愈大．Cu原子比Ni 原子多一个电子，其外层电子是3d104s1，如在Ni金属中掺人Cu，组成Cu—Ni 合金，则将使Ni的d空穴下降，其磁化率也就随之下降。
图6-1 NH3, D 同位素交换反应的活化能与功函数的关系用骨架型Ni-Cu催化剂对苯加氢，大体说来，催化活性与磁化率有平行的关系。
表明d穴对此催化反应有利(不过，反应速度实际上是与表面镍浓度有关．而合金的表面组成服从降低表面能的热力学原则，与体相组成相差很大。
对苯乙烯加氢，采用Ni-Cu催化剂，也表明d穴对此反应有利．当用纯Ni 时，d穴最多，活性也最大．当用Fe-Ni时，d穴虽比纯Ni更多，但实验表明，Fe含量愈大，催化活性反而降低．这说明d穴也不宜过多，过多则吸附太强，不利于进一步反应．这些实验事实，采用d电子状态来关联催化活性，比之单纯用电子迁移能力已有所进步．Pauling用另一种办法来描述d状态．他认为金属原子间的化学键轨道，可以由d轨道参与的杂化轨道所组成，d轨道参与的成分越多，则这种金属键的d 成分也越多．他称这种金属键中的d成分为d特征百分数．化学吸附主要是与末参与金属键的d轨道作用，所以，d特征百分数越大，参与化学吸附的d轨道就越少．实际上，d特征百分数是和d空穴互为倒数关系的一种衡量办法．应用d特征百分数概念来解释前述NH3与D2同位素交换的实验事实，其线性关系会好一些，如图8—18所示．图6-2 NH3与D2的同位素交换速率与金属d特征%的关系从现有许多实验事实看来，对金属催化剂的催化作用，既要考虑金属与金属原子间的相互作用，也要考虑金属原子特征．例如从CO在金属上的红外光谱证实，CO在金属上形成的一些化学吸附态，与均相中CO和金属原子构成的单核、双核络合物有相似之处．这表明反应物还是按配位络合的化学特性与金属表面某种原子联接在一起的。
工业上广泛采用金属负载型催化剂．当金属负载的分散度愈来愈高时，金属与金属原子间的作用，一般有某种程度的削弱．例如镍金属原为铁磁性，高度分散后变为顺磁性，说明原子间作用已有所变化．金属晶粒的大小，可能对催化活性有影响，甚至有较大的影响．金属催化剂的活性中心比起酸、碱催化剂、氧化物催化剂的活性中心来说，是最不明确的．其主要原因是金属原子簇的作用以及原子间的作用，即聚集态的作用加强了．不过，从总的情况看来，把暴露在表面上的一个或多个金属原子作为活性中心，还是多数采用的方法．反应物与这些原子之间有一定的结构和能量匹配问题．下面我们来讨论这个问题．四、多位理论的几何因素与能量因素在分子筛催化剂中，分子筛的筛孔通过扩散的限制而有选择性地对某种异构物起作用，这是一种类型的几何因素。
我们现在来讨论其他类型的几何因素。
乙烯在金属催化剂上加氢的反应机理，虽然历来争论激烈，但从乙烯与D2的交换动力学的数据分析，下列机理比较能说明D2分压对同位素交换产物分配的影响．这机理表明，H2与C2H4是通过离解与不离解的双位[α，β]吸附，然后在表面上互相作用，形成半氢化根吸附态*CH2CH3，最后进一步氢化为乙烷的．如果C2H4确如上面所述的那样是通过双位吸附而活化的，为了活化最省力，原则上除所欲断裂的键外，其他的键长和键角力求不变．这样就要求双核活性中心间有一定核间距．例如，乙烯的双位络合物如下图．巴兰金强调了催化剂本身晶体结构对催化活性的影响，认为表面结构反映了晶体内部结构，提出催化作用的几伺适应性与能量适应性概念．其基本观点如下反应物分子扩散到催化剂表面，首先物理吸附在催化剂活性中心上，然后，反应物分子指示基团(分子中与催化剂接触进行反应的部分)与活性中心作用，于是分子变形?生成表面中间络合物，最后解吸成为产物．然而使分子变形的力是化学作用力，因而仅当分子与活性中心很靠近时(一般l至2个A)才能起作用．根据最省力原则，要求活性中心与反应分子间有一定的结构对应性，又吸附不能太弱．也不能太强，太弱吸附速度太慢，太强则解吸速度太慢，其间有一定的能量适应的要求．根据巴兰金基本观点，为力求其键长、键角变化不大，反应分子中指示基团的几何对称性应与表面活性中心结构的对称性相适应；同时又由于是近距离的作用，故对两个对称图象的大小也有严格的要求．活性中心每个吸附点的位置称为“位”，每一个分子吸附时在催化剂上所占的位数，就是多位理论中的位数．多位理论的名称就是这样来的．多位理论中研究最多的是二位．例如对于乙醇脱氢反应：方框内表示的是反应指示基因，有时表示反应历程只写出指示基团部分，例如上例简写为：除了二位外，还有其他多位的反应历程模型．其中，讨论得较详细的是环己烷脱氢、苯加氢的六位模型．这两个课题的研究，为多位理论中关于几何适应性提供了最重要的论据．除了对称性外，还要求几何尺寸相匹配．根据计算，在力求其它键长、键角不变的条件下，要求金属的原子半径在1.224—1.385A之间．表8—22中位于方框之内的，都是满足上述条件的金属．实验表明，大多数确实能够使环己烷脱氢，仅Zn、Cu对环己烷脱脱的活性不好．其中Re是由理论预期，而后为实验所证实的．多位理论指出，Zn、Cu虽然满足几何因素，但不能满足能量条件，因无足够的空d轨道可供化学结合之用，所以活性不好．β—Fe虽不属立方与六方晶系，但也有活性，后来认为，β- Fe的一些晶面的对称性近似地符合立方晶系(111)面的要求，所以也有活性能量适应性和几何适应性是密切相关的，选择催化剂时必须同时注意这两个方面．要精细地考虑能量适应性问题，必须先知道反应的历程及作用的微观模型，多位理论只对双位催化反应提出模型．设指示基团间的反应为：AB + CD AD + BC能量适应性和几何适应性是密切相关的，选择催化剂时必须同时注意这两个方面．要精细地考虑能量适应性问题，必须先知道反应的历程及作用的微观模型，多位理论只对双位催化反应提出模型．设指示基团间的反应为：即反应分二步，第一步是反应物与催化剂作用，吸附成为表面活化络合物，放出能量E’；第二步表面活化络合物解吸为产物，放出能量E’’．二步中放出能量较少(或吸收能量较多)的那一步，反应速度较慢，是反应的决定性步骤．从能量观点来说，欲使反应快，要尽量设法使二步都不要太吃力．这从下面公式的推导即可看出：其中QAB 是AB二原子间的健能，QAK是A原子与催化剂K间的键能，其余同此．若令将这些量代人式(1)和(2)得：如将E'和E”分别对q作图．则得两条相交的直线．两条的斜率各为十1及一1．对于吸热反应(u为负值)，交点在横坐标之下，如图8—23所示．对于放热反应(u为正值)，交点在横坐标之上．如图8—24所示交点的坐标为(1/2 s,1/2 u)，与催化剂种类无关．这种图形称为火山式曲线或峰形线．峰形线与催化剂种类无关，而与反应种类有关．与催化剂有关的只是q值，不同的催化剂，q值不同，即割线FH的位置不同。