气固多相催化反应动力学基础
物化第十一章动力学(一)教案
第十一章 化学动力学基础(一)教学目标：1.使学生理解一些动力学基本概念2.掌握简单级数反应以及典型复杂反应的动力学特点。
3.理解并应用阿仑尼乌斯公式。
4.能用稳态近似、平衡假设等处理方法推导一些复杂反应的速率方程教学要求:1.掌握等容反应速率的表示法及基元反应、反应级数等基本概念。
2.对于简单级数反应，要掌握其速率公式的各种特征并能由实验数据确定简单反应的反应级数。
3.对三种典型的复杂反应，要掌握其各自的特点及其比较简单的反应的速率方程。
4.明确温度、活化能对反应速率的影响，理解阿仑尼乌斯公式中各项的含义。
5.掌握链反应的特点，会用稳态近似、平衡假设等处理方法。
教学重难点：反应的级数与反应的分子数，基元反应与非基元反应以及反应的速率的描述方法等；简单级数反应的动力学特征，几种典型复杂反应的动力学特征，温度对反应速率的影响（反应的活化能的概念），链反应的动力学特征以及动动学方程的推导方法。
11.1 化学动力学的任务和目的一、化学动力学与热力学的关系热力学：研究反应进行的方向和最大限度以及外界条件对平衡的影响，即研究物质变化的可能性。
动力学：研究反应进行的速率和反应的历程（机理），即研究如何把这种可能性变为现实性。
二、化学动力学的任务和目的1． 研究各种因素，包括浓度、温度、催化剂、溶剂、光照等对化学反应速率的影响； 2． 揭示化学反应如何进行的机理，研究物质的结构与反应性能的关系，了解反应历程可帮助了解有关物质结构的知识；3． 目的是为了能控制反应的进行，使反应按人们所希望的速率进行并得到所希望的产品。
三、化学动力学的发展简史11.2 化学反应速率表示法一、反应速率（描述化学反应进展情况）P R β→α β-=α--=ξ)0(n )t (n )0(n )t (n P P R Rdt )t (dn 1dt )t (dn 1dt d P R β=α-=ξdt d V 1r ξ=定容反应 dt dc 1r B B ν= 量纲：浓度·时间-1对于任意反应 eE + fF = gG + hHdt d[B]1dt d[H]h 1dt d[G]g 1dt d[F]f 1-dt d[E]e 1-r B ν=====（1）对气相反应)RT (r 'r dt dp RT 11r dtdp 1'r =⇒⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⋅⋅ν=⋅ν=量纲：压力·时间-1（2）对多相催化反应二、反应速率的测定c~t1、化学方法：骤冷、冲稀、加阻化剂或除去催化剂2、物理方法：利用与物质浓度有关的物理量（如旋光度、电导、折射率、电动势、V、P、光谱等）进行连续监测，获得一些原位反应的数据。
第五讲多相催化反应动力学-概念和定义2
新概念和单位
转换数TON（turnover number）： TON=NA，式中是被催 化剂转化的反应物的物质的量，mol；NA是阿伏伽德罗常数。 反应速率为d(TON)/dt s-1 转换速率（turnover rate）：单位时间内每个活性位上转化的 反应物分子的数目为： 式中S是催化剂表面上的活性位数目S=LA，L是催化剂表面上 的活性位密度，1/cm2，即单位催化剂表面积上的活性位数目； A是催化剂的总活性表面积，cm2/g。 转换频率TOF（turnover frequency）：每个活性位每秒时间内 完成的催化循环的次数，跟转换速率具有等同的意义。
第四章 多相催化反应动力学
多相催化反应动力学中的概念和定义
多相催化反应是发生于催化剂表面的化学反应，因此也称表 面催化或接触催化。 固体催化剂通常被做成多孔性的固体粒子或固体粉末以增大 表面积。 催化反应七个步骤：反应物分子外扩散、反应物分子内扩散、 反应物分子在催化剂表面吸附并发生化学反应（表面反应）、 产物分子从催化剂表面脱附、产物分子内扩散和外扩散。 多相催化反应的三个基元步骤：反应物的吸附、表面反应和 产物的脱附。 催化反应与一般化学反应的基本区别是，在催化反应中有催 化剂的活性中心参与反应。 化学动力学知识应用于非均相催化时有其局限性。尽管能获 得速率方程，但仅能用于反应器的设计和优化，无法了解反 应机理。
20世纪50年代，Yang和Hougen进一步延伸Hougen-Watson的处 理，提出了速率控制步骤的概念以确定催化气相反应的机理。
以理想表面模型为基础的非均相催化反应的LangmuirHinshelwood-Hougen-Watson（LHHW）动力学，被一些著名 学者称为“经典催化动力学”，不仅被广泛使用，而且如 Boudart在1986年所说，对于结构非敏感反应它也是正确的 “真实事情”。 LHHW动力学不仅被用于建立速率方程，还被用于讨论和建 立催化反应的机理。 随着计算机技术的快速发展，在20世纪60-70年代达到相当完 善的程度，包括催化动力学实验的设计、模型判别和检验以 及反应机理的确定，模型参数的计算和可信区间的确定，再 到实验的二次设计以及模型和参数进一步优化。 20世纪70-80年代表面科学的设备和技术不断完善，随着表面 科学技术的发展，对催化剂表面的结构以及活性位的微观性 质有了了解，使反应速率不再仅仅以催化剂质量或体积为单 位来计算，而是发展到以单位活性中心为单位来计算，也就 是单位活性中心的速率成为可能。
多相催化
3．影响气—固相催化反应过 ．影响气 固相催化反应过 程速率的因素
由于催化反应是在催化剂表面上进行的， 由于催化反应是在催化剂表面上进行的 ， 所以反应速率应与催化剂表面上反应物 的浓度（ ） 反应温度（ ） 的浓度（C）、反应温度（T）及固体催 化剂的表面结构和性质有关， 化剂的表面结构和性质有关，即 ： r＝ f（C、T、催化剂）
3.2.1 表面质量作用定律
处理表面过程动力学基础是表面质量 作用定律。根据质量作用定律， 作用定律。根据质量作用定律，表面 过程的基元反应， 其反应速率 与反 过程的基元反应 ， 其反应速率r与反 应物的表面浓度（即表面覆盖度） 应物的表面浓度（即表面覆盖度）成 正比， 正比，其覆盖度的指数等于相应的化 学计量系数。 学计量系数。
（2）表面反应为控制步骤时 ）
• 当表面反应为控制步骤时 ， 即第三步骤 当表面反应为控制步骤时， 为速率控制步骤时， 为速率控制步骤时， 它的反应速度为整 个反应的速度。 个反应的速度 。 根据质量作用定律写出 s v 其速度表达式： 其速度表达式：r = k θ θ − k θ θ 向反应速率常数； 向反应速率常数； • θV——未覆盖度，等于1-θA-θB-θR。 未覆盖度， 未覆盖度 等于1
①化学反应为控制步骤； 化学反应为控制步骤； ②吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 三个步骤的速率相差不大， ③三个步骤的速率相差不大，即不存在速 率控制步骤。 率控制步骤。 • 三种情况表现出不同的动力学规律 ， 下 三种情况表现出不同的动力学规律， 面分别说明三种情况下的速率方程式。 面分别说明三种情况下的速率方程式。
在实际工作中最简单并且广泛应用的 理想表面层吸附模型。 是Langumir理想表面层吸附模型。按 理想表面层吸附模型 此模型，利用Langumir的吸附等温方 此模型，利用 的吸附等温方 程，可以把 值表示为在实验上可直接 可以把θ值表示为在实验上可直接 测定的反应压力的函数， 测定的反应压力的函数 ， 这样就把从 表面质量作用定律获得的动力学方程 与实验数据直接关联起来。 与实验数据直接关联起来。
《气固相反应动力学》课件
目录
• 气固相反应动力学概述 • 气固相反应动力学的基本原理 • 气固相反应的动力学实验研究 • 气固相反应的动力学模拟研究 • 气固相反应动力学的应用研究 • 总结与展望
01
气固相反应动力学概述
定义与特点
定义
气固相反应动力学是研究气体与固体 物质之间反应速率和反应机制的学科 。
科学研究
气固相反应动力学是化学反应工 程和物理化学等领域的重要分支 ，对于深入理解反应机制和探索 新反应路径具有重要意义。
气固相反应动力学的发展历程
早期研究
早在19世纪，科学家就开始研究气固相反应，初期主要关注燃烧和氧 化等简单反应。
理论模型建立
随着实验技术的发展，20世纪初开始建立气固相反应的动力学模型， 如扩散控制模型和化学反应控制模型等。
工业粉尘治理
通过气固相反应技术对工业生产过程中产生的粉尘进行控制和处理 ，减少空气污染。
土壤修复
利用气固相反应技术对受污染的土壤进行修复，如通过化学氧化还原 反应降低土壤中的重金属含量。
在新材料研发中的应用
纳米材料制备
气固相反应技术可用于制备纳米材料，如纳米碳管、纳米氧化物 等，具有广泛的应用前景。
实验技术进步
20世纪中叶以后，实验技术的进步为气固相反应动力学研究提供了更 多手段，如激光诱导荧光、质谱仪等技术的应用。
当前研究热点
目前，气固相反应动力学的研究重点包括新型催化剂的设计与制备、 反应机理的深入研究以及计算机模拟在动力学研究中的应用等。
02
气固相反应动力学的基本 原理
化学反应动力学基础
跨学科合作
气固相反应动力学涉及多个学科领域，需要加强跨学科合 作，促进多学科交叉融合，共同推动气固相反应动力学的 发展。
2-1气固相催化反应本证及动力学
吸附等温方程
动力学（理论）方程 实验室反应器
动力学方程 化学化工学院
[例1] 设一氧化碳与水蒸气在铁催化剂上的催化反应机理如下 (1) (2) (3)
化学工学院
1、过程为单组分反应物的化学吸附控制
设催化反应速率为rA 若催化反应过程为A的化学吸附所控制。A的化学吸附为控制 步骤，其它各步均已达到平衡。催化反应速率等于A的化学 吸附速率，则有 化学化工学院
将上述各参数代入
化学化工学院
化学化工学院
2、过程为表面化学反应控制
若反应中有惰性组分I，且组分I 被吸附。催化反应速率 按质量作用定律可表示为：
P A
设气体A在催化剂内表面上被吸附。 化学吸附是一个可逆过程，可表示为：
A ( )
A
A
ra
( A)
rd ra是吸附速率，rd是脱附速率，吸附 净速率为 r=ra－rd
化学化工学院
1.影响吸附速率
的因素
1）单位表面上的气体分子碰撞数 在单位时间内气体分子和表面的碰撞次数越多，被吸 附的可能越大。由气体分子运动论，碰撞次数Z为：
p
p
(1 )
m
t
化学化工学院
3. 孔径及其分布
催化剂中孔道的大小、形状和长度都是不均一的，催化剂孔道 半径可分成三类： 1）微孔，孔半径为1nm左右； 2）中孔，孔半径为1～25nm左右； 3）大孔，孔半径大于25nm的孔。 载体的作用是作为催化剂的骨架，同时提供催化剂的内表面积。
二者的区别：
化学化工学院
类别 项目
物理吸附 分子间力 差 可单层可多层 快 2-20kJ/mol
化学吸附 化学键力 好 单层 慢 80-400kJ/mol
反应动力学基础
一氧化氮氧化动力学方程建立
由于第二步为速率的控制步骤因此有:
r k2C( NO ) 2Co2
2 C K C 1 NO 第一步达到平衡，则 有: ( NO) 2
代入上式得
r k2 K1C Co2 k2C Co2
2 NO 2 NO
因此,当得到的速率方程与由质量作用定律得到的形
r dW
8
空速与接触时间
空速：单位反应体积所处理的混合物的体积流量。因
次为时间的倒数(1／h)。
VS 0 VSP VR
计算空速时的体积流量一般使用标态体积，特殊说明
时可使用操作状态流量。也有使用摩尔流量的，称为 摩尔空速。 是衡量反应器生产强度的重要操作参数。例如：氨合 成反应，压力为10Mpa时，空速为10000(1/h)；而当压 力为30Mpa时，空速则为28000-30000(1/h)。
例：NO氧化反应速率方程
对于反应 2 NO O2 2 NO2 得到的速率方程为: r kC 2 C NO O 2 该动力学方程并非是由基元反应的质量
作用定律得出.有学者认为该反应由下列 两步组成 :
NO NO ( NO) 2 ( NO) 2 O2 2 NO2
并且第二步为速率的控制步骤.
式中 A为指前因子,其因次与k相同;E为活化 能;R为气体常数。
30
反应速率常数因次
反应速率常数的因次与反应速率的表示方式，速率方
程的形式以及反应物系组成的表示方式有关。 反应级数（一级、二级）、反应速率的因次（以反应 体积计、以催化剂质量计、以相界面计的反应速率）、 对于气相反应，常用分压、 浓度和摩尔分率 来表示 反应物系的组成， 则 之间有下列关系 k ,k ,k
催化作用导论 第三章 多相催化反应动力学_OK
23
3）构型扩散
当分子运动时的直 径（动力学直径）与 孔径相当时，扩散系 数受孔径的影响变化 很 大 。 孔 径 小 于 1.5nm 的微孔中的扩散就属 于这种类型，如分子 筛孔道内的扩散。可 以利用构型扩散的特 点控程和扩散系数计算公 式，可知温度对反应 速率的影响比对扩散 速率的影响要大。多 相催化反应是扩散过 程与化学过程的结果。 因此反应速率随温度 的变化就比较复杂。 一般可分为四种情况：
（1）反应物分子在催化剂内表面上吸附； （2）吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用 或与气相分子作用进行化学反应； （3）反应产物向催化剂内表面脱附。
所要回答的是，反应机理是吸附控制，表面反应 控制，还是脱附控制？
16
反应历程：基元反应的集合。有平行反应和连续 反应构成（相连的一系列步骤）。如：
2
3、为催化反应器的设计提供依据和基础。——动力学 规律把各种因素对反应速率的影响关联在一起，可以 为选择反应的最适宜条件（如原料组成、反应温度、 催化剂用量等）提供计算依据。如果把动力学规律和 特定反应器的传质、传热规律相结合，则可为反应器 设计、操作、控制以及最佳化提供相当可靠的计算方 程，现已发展建立起单独的课程：化学反应工程和/ 或催化反应工程。而催化反应动力学是催化反应工程 学的一个核心部分。
1925年，Tayor提出并强调了活性位的概念，催化表面是 不均匀的，不是所有表面的活性位都有催化活性。
5
1943年，Hougen－Watson讨论了多孔催化剂中的吸附速 率控制、中毒和传质控制，并在假定化学计量系数为1 的条件下，提出了表面反应控制的速率方程。该方法 成功应用的最重要的例子是Hougen及其同事在1946年 发表的混合异辛烯在镍/硅藻土催化剂上的加氢动力学， 他们提出了17种可能的机理，最后的结论是速率控制 步骤是活性吸附的氢和异辛烯之间的表面反应。
气液固相反应动力学
• 气液固相反应动力学概述 • 气液相反应动力学 • 固相反应动力学 • 气液固三相反应动力学 • 气液固相反应动力学应用
01
气液固相反应动力学概述
定义与特点
定义
气液固相反应动力学是研究气液固三 相反应过程中反应速率和反应机制的 学科。
特点
气液固相反应通常涉及多相混合物， 反应过程复杂，影响因素众多，需要 深入研究和理解。
指导反应器设计
了解气液固相反应动力学有助于设计更高效的反应器，提高生产效 率和产品质量。
促进新工艺开发
通过研究气液固相反应动力学，可以发现新的反应路径和机理，促 进新工艺和技术的开发。
02
气液相反应动力学
液相传质过程
扩散
01
物质在液相中的传递主要依靠扩散作用，扩散速率取决于浓度
梯度、分子扩散系数和扩散路径长度。
太阳能利用
太阳能是一种清洁可再生的能源，气液固相反应动力学在太阳能利用领域中用于研究光催 化反应机理和光电转换效率，推动太阳能技术的进步。
核能利用
核能是一种高效能源，气液固相反应动力学在核能利用中用于研究放射性废物的处理和转 化，提高核能利用的安全性和效率。
THANKS
感谢观看
究土壤中污染物的迁移转化规律，为土壤修复技术提供理论依据。
03
废物资源化
通过气液固相反应动力学研究，实现废物的资源化利用，如废弃物的焚
烧、生物质能源转化等，降低环境污染，提高资源利用效率。
在能源领域的应用
燃料燃烧
燃烧是能源转化中的重要环节，气液固相反应动力学研究燃料在燃烧过程中的反应机理和 动力学参数，有助于提高燃烧效率，降低污染物排放。
对流
02
催化剂与催化动力学基础
2
（5-28）
B. 如为可逆反应
A B
R S
假设机理同前，但控制步骤为：
A B
k1 R S
k2
(rA ) k1AB k2RS
k1K APAV KB PBV k2 KR PRV KS PSV
k1KAKB PAPB k2KR PR KS PS V2
k1K A KB PA PB k2 K R PR KS PS 1 K A PA KB PB K R PR KS PS
5.2 催化剂（固体）的物理特性
5.2.1 物理吸附和化学吸附
固体催化剂之所以能起催化作用，乃是由于它与各个 反应组份的气体分子或者是其中的一类分于能发生一 定的作用，而吸附就是最基本的现象。实验研究表明， 气体在固体表面上的吸附有两种不同的类型，即物理 吸附与化学吸附。它们两者之间的不同主要反映在吸 附作用力、吸附剂、吸附的选择性、吸附温度、吸附 速率及活化能、吸附热、吸附的可逆性等方面。
A2 2
ka
kd
2 A
ra ka PAV2 ka PA (1 A )2
rd
kd
2 A
ka PA (1 A )2
kd
2 A
A
1
K A PA K A PA
V Vm
（5-6） （5-7）
两种或两种以上吸附质被吸附的过程
A
kaA
A
kdA
B
kaB
B
kdB
raA rdA kaAPAV kdAA
ra
rd
ka
PA
A
kd
A
A
ka PA
A
1
bPA n
V Vm
两边取对数可得：
催化作用基础第四章气固多相催化反应动力学基础(Word)
第四章气固多相催化反应动力学基础在这一章，我们将讨论气固多相催化反应动力学. 具体来说，是考察气固多相催化反应中是哪些因素影响以及如何影响反应速率的，反应的机理如何. 这里介绍的都是十分基础的理论。
研究气固多相反应动力学，从实用角度说，在于为工业催化过程确定最佳生产条件，为反应器的设计打基础；从理论上说，是为认识催化反应机理及催化剂的特性提供依据. 催化动力学参量不仅是机理证明的必要条件也是催化剂化学特性的重要量度．这些参量是现有催化剂改进以及新型催化剂设计的依据．比如，速率常数可用以比较催化剂的活性，活化能可用以判断活性中心的异同，指前因子可用以求取活性中心的数目，等等．这些都是化学动力学研究在催化理论上的价值体现．气固多相催化反应的完成包括以下步骤：反应物自气流的主体穿过催化剂颗粒外表面上的气膜扩散到催化剂颗粒外表面（外扩散）；反应物自外表面向孔内表面扩散（内扩散）；反应物在内表面上吸附形成表面物种（吸附）；表面物种反应形成吸附态产物（表面反应）；吸附态产物脱附，然后沿与上述相反的过程，直到进人气流主体．其中的吸附、脱附和表面反应为表面化学过程，而外扩散与孔内的扩散是传质过程．气固多相催化反应的动力学具有以下两个特点：反应是在催化剂表面上进行，所以反应速率与反应物的表面浓度或覆盖度有关．由于反应包括多个步骤，因而反应动力学就比较复杂，常常受吸附与脱附的影响，使得总反应动力学带有吸附或脱附动力学的特征．有时还会受到内扩散的影响.本章的前一部分讨论扩散很快，这时扩散对过程的总反应速率不产生影响，即反应速率由吸附、脱附和表面反应决定．本章的后一部分讨论传质对过程总速率有影响的情况．一、基 本 概 念（一） 反应速率1.反应速率定义．反应速率表示反应的快慢，是催化反应动力学研究中最重要的物理量，通常定义为参加反应的某种反应物或产物i 的量随反应时间的变化率，dtdn r i i Ω±=1 (4.1) 根据不同场合可以使用反应物消失速率或产物生成速率，dtdn r r r Ω-=1 或 dt dn r p p Ω=1 在r r 表示式里，负号保证速率的数值为正．速率式中Ω是反应空间，对于均相催化反应，Ω是反应体系的体积V ．在使用固体催化剂的气固多相催化反应情况下，Ω可以是催化剂的体积V 、表面积S 或质量W ．按上述定义表示反应速率时，必须指明与其相对应的反应物种. 因为在一个已知反应式中，各物种的反应速率也会因其化学计量系数不同而不同. 另外，还要注意，一个反应方程，如果它表示一个基元反应A B αβ→下式恒成立，B A r r βα11=但如果该反应方程仅表示一个总包反应，则上式不一定恒成立。
多相催化反应动力学基础
多相催化反应动力学基础
多相催化反应是指反应物和催化剂处于不同的相（如气-气、气-液、液-液、固-液等），催化剂在反应中起到催化作用。
多相催化反应的动力学研究包括反应速率、反应速率方程和反应机理等方面。
1. 反应速率：反应速率是指单位时间内反应物消失或生成的物质量。
对于多相催化反应，其速率可以通过测定反应物浓度或催化剂表面物质的变化来确定。
多相催化反应速率受到很多因素的影响，包括反应物浓度、催化剂表面积、温度、压力和物质传递等。
2. 反应速率方程：多相催化反应的速率可以通过与反应物浓度和催化剂活性表面积的关系来描述。
通常，多相催化反应速率方程可以用Langmuir-Hinshelwood模型来表示，该模型考虑了反应物在催化剂表面上吸附和反应的过程，一般形式为： - r = k * θA * θB
其中，r是反应速率，k是反应速率常数，θA和θB分别是反应物A和B在催化剂表面的覆盖度。
3. 反应机理：多相催化反应的机理包括吸附、表面反应和解吸等一系列步骤。
在多相催化反应中，反应物要先吸附到催化剂表面，然后在催化剂表面上发生反应，并最终从表面解吸释放出产物。
通过研究这些步骤的细节，可以揭示多相催化反应的机制和催化剂的性能。
总之，多相催化反应的动力学研究涉及反应速率、速率方程和
反应机理等基本概念。
这些研究对于优化催化反应条件、设计高效催化剂以及理解催化过程中的反应机理都具有重要意义。
多相催化反应机理及其应用
曲线示图ｍ“】平ｕ Ｃ０２＋Ｃ＝２ＣＯ反应的平衡曲线示图 ㈣，即Ｂａ－Ｃ．Ｏ示图。图２为Ｆｅ．Ｃ．Ｏ平衡示图…。
从幽ｌ看出，在渗碳箱中（Ｐｃｏ＋Ｐｃ０２＋Ｐ。２＝ｌａｔｉｎ 或Ｐｃｏ＋Ｐｅ０２＝ｌａｔｍ）乖¨渗碳温度（，－－９５０℃）。ＢａＣ０３ 不可能被碳分解，它只能以ＢａＣ０３的形式稳定存 在。 从图２看出，铁不可能出现被氧化义被还原， 铁只能以单质形态存在。 （２）众所周知，出现可逆反应必须有一个严 格要求。对丁ＢａＣ０３，其温度是１０４２℃或９８０＂Ｃ， 只有在这个温度，才可能出现既分解义生成，高丁 这一温度，ＢａＣ０３将被碳分解，而低丁这个温度， ＢａＣＯ，将稳定存在。而实际上渗碳温度在９５０℃左 右。根本不可能出现既分解义生成的过程。对丁具 有催化活性的铁，也不可能山现既氧化义还原的过
热力学、动力学、反应机理、催化剂与毒物等同样
进行了人量研究。铂系贵金属是化：ｌ：生产和汽车尾 气净化的重要催化剂。在铁基合成氮催化剂出现以 前，人们ｔ｝｝ｊ铀作为合成氨催化剂，由于贵金属价格 昂贵，单独使用其催化活性不及负载型形式，因此 多以负载型形式使刚，汽车尾气净化催化剂是典型
１４４
Ｔｈｅｏｒｙ，以下简称
Ｔｒａｎｓｆｅｒ
２．１．４催化冶金
Ｗａｎ等ｔＴ，Ｓｌ研究了催化剂对碳还原氧化锌和氧 化铁的加快作用，发现碱金属碳酸盐能显著的加快 还原过程，他们采用仍是ＯＴＴ，但是作了一点改变： Ｍｅ２Ｃ０３＋２Ｃ＝２Ｍｅ＋３ＣＯ
２Ｍｅ＋４ｎＣ＝２Ｃ２ｎＭｅ （１５） （１６） （１７） （１８）
Ｔｈｅｏｒｙ，下称ＯＴＴ）。
ｃ０２＋Ｂａ＝ＣＯ＋ＢａＯ （１９） （２０）
程。
ＢａＯ＋Ｃ＋＝Ｃ＊（ＢａＯ） ｃ＋ＢａＯ＋Ｃ＋侣ａＯ） ＝Ｃ（ＢａＯ）Ｃ＋（ＢａＯ）＋Ｂ Ｃ（ＢａＯ）Ｃ＊（ＢａＯ）＝ＣＯ十Ｃ＊（ＢａＯ）＋Ｂａ Ｃ＋（ＢａＯ）＋Ｃ＝ＣＯ＋Ｃ＋＋Ｂａ 为催化剂束。
气固相催化反应本征及宏观动力学
ra 2Vg / Sg
3
平均孔半径与孔容成正比,与比表面成反比
微孔 孔半径<1nm 孔类型 中孔 孔半径在1-25nm之间
大孔 孔半径>25nm
第23页
2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型
2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型 本征：完全没有扩散影响的,单纯的反应物及产物 在催化剂表面吸附脱附反应过程，其动力学表达 为本1 征动力学，
V 孔 V g 1 V 颗 粒 V gm p t 11 V g t
或 1 V gp
7 空隙率：指催化剂颗粒间体积占整个催化剂体积的百分率，
mp
V堆积 V颗粒 1V颗粒 1 p 1b
V堆积
V堆积 mp
b
p
8 孔容积分布：微孔大小在催化剂中的分布，
第22页
2.1 催化及固体催化剂
9 平均孔径
平行孔模型：互不相交、内壁光滑、均匀分布 、半径不等的平行圆柱孔道，
第6页
多相催化化学反应过程步骤
⑴A
⑵ cAS
cAG
⑶
⑷ ⑸
⑹
⑺
B
A （g）
B（g）
第7页
CA
CAg CAS
CAC
C*A
距第离8页
0
Rp
CA
CAg CAS
CAC=C*A
距离 0
Rp
第9页
2.1 催化及固体催化剂
☆催化反应过程的特征可概述如下：
（1） 反应活化能 改变 催化剂 改变 化学反应历程
某些固体物质
只吸附某些起化学变化的气体
温度较高,远高于沸点 非活化的,低活化能；活化的, 高活化能，>40kJ/mol >40kJ/mol 单分子层 常不可逆 用于测定活化中心的面积及阐 明反应动力学规律
化学反应工程第一章气固相催化反应本征及宏观动力学
n 1－12 n 1－13 n 1－14 n 1－15
固体催化剂 吸附等温方程 均匀表面吸附动力学方程 不均匀表面吸附动力学方程
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化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
1－12 固体催化剂
速率常数与活化能及温度的关系
•速率常数
•活化能
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•温度
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
1－9反应速率常数及温度对反应速率常数 影响的异常现象
•ln k •ln k
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•1/T
•1/T
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
第四节 气－固相催化反应本征动力学方程
新途径，它涵盖了化学量测的全过程，包括采样理论与方法、
试验设计与化学化工过程优化控制、化学信号处理、分析信号
的校正与分辨、化学模式识别、化学过程和化学量测过程的计
算机模拟、化学定量构效关系、化学数据库、人工智能与化学
专家系统等，是一门内涵相当丰富的化学学科分支。
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化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
xA=(15mol－13mol)/15mol=0.133 第一个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×S
第二个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×（1－S）
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化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
•例题
•故有：2mol ×S ×0.5+2mol ×(1－S) ×3=7mol－4.76mol •S=0.752 •Y=第一个反应所消耗的乙烯÷加入的乙烯总量（15mol） •故Y＝2 × 0.752÷15=0.100 •或Y＝ xA S=0.100
气固多相催化反应动力学基础
反应动力学的重要参量： 速率常数：可用来比较催化剂的活性； 活化能：判断活性中心的异同； 指前因子：用于求取活性中心的数目。
气固多相催化反应步骤： 反应物从气流扩散到催化剂表面（外扩散-内扩散）； 反应物在催化剂表面上吸附形成表面物种（吸附）； 表面物种反应形成吸附态产物（表面反应）； 吸附态产物从催化剂表面脱附形成气相产物（脱附）； 气相产物从催化剂表面扩散到气流（内扩散-外扩散）。 气固多相催化反应动力学特点： 反应速率与反应物的表面浓度/覆盖度有关； 总包反应动力学带有吸附和脱附动力学的特征，甚至内扩散 的影响。
2.2 实际吸附模型的反应速率方程
假定以反应有如下机理： A * A *
k A * B C D *
速控步骤
根据表面质量作用定律
r kP B A
q q 0 ln
假定吸附热随覆盖度的变化是对数关系
利用Freundlich方程
A KPA
1 n
反应的规律推导出的速率方程。分两种情况：理想吸附模型的 速率方程；实际吸附模型的速率方程。 2.1 理想吸附模型的速率方程 假定吸附、脱附均采用Langmuir模型；表面反应则应用表面 质量作用定律。 1、表面反应为速控步骤时的速率方程：吸附、脱附步骤处于 准平衡。
（1）单分子反应
例1、设一反应机理模型为
2、吸附或脱附为速控步骤时的速率方程
例、设反应A B的反应机理包括以下三步
k A * A* k-
A * B * B* B *
第一步吸附是速控步骤，其它各步都处于近似平衡，则 总反应速率等于第一步的净反应速率 假设A相对应的平衡压力为PA*，则
r k0 PA k A
反应动力学基础
课后习题<a name=baidusnap0></a>夏天</B>蝉鸣叫的频率与温度有关，41℃时蝉鸣叫的频率是37℃时的2倍，问蝉鸣叫的活化能是多少。
Irreversible Reaction in series Substitute CA into: 多相催化反应速率方程(基于理想吸附) 吸附动力学方程的基本型式：以前一方程为例：推动力项的后项是逆反应的结果Kipi项表示i分子在吸附（脱附）中达到平衡，即不是控制步骤。
吸附项的指数是参与控制步骤的活性中心数。
如果出现根号项，意味着存在解离吸附。
如果吸附项中存在两个大项相乘，则有两种不同活性中心。
若分母没有出现某组分的吸附项，而且出现了其它组分分压相乘的项，则可能是该组分的吸附或脱附控制。
可以用来定性检验推导过程的正误。
幂函数型本征动力学方程在理想吸附推导基础上，将吸附和脱附过程用焦姆金或弗鲁德里希模型表示，可以得到幂函数型本征动力学方程。
其型式为：本章回顾化学计量方程的书写、意义，单一反应和复合反应的概念；化学反应速率的定义、表示方法，转化率的定义及表示方法，膨胀因子的定义、物理意义以及非等分子反应的转化率的表达式；本章回顾速率方程中速率常的量纲的确定方法、物理意义以及阿伦尼乌斯公式，反应级数及其确定方法；幂函数型速率方程的表达式，会根据机理式运用“拟平衡态”和“拟定常态”假设推导双曲函数型速率方程。
本章习题P52 2.1 2.2 2.5 2.6 2.9 2.10 几点说明：（1）理想吸附极其罕见，但仍广泛使用，是因为所得的速率方程适应性强（是多参数方程）; （2）采用真实模型来推导反应速率方程，方法、步骤相同，只是采用的吸附速率方程和吸附等温式不同。
导出的速率方程有双曲线型的，也有幂函数型；（3）对一些气固相催化反应的动力学数据分别用幂函数和双曲线型速率方程关联，所得速率方程精度相差不大，前者参数少，便于使用。
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幂式速率方程： k：速率常数；， ：反应级数
双曲线式速率方程：
k：速率常数；i：常数
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基元过程一般服从Arrhenius定律
指前因子
活化能
表观活化能：形式上遵循Arrhenius定律的总包反应所对应的
活化能。但其具体物理意义视情况而定。
动力学参数：速率常数、反应级数、指前因子和活化能。
Applied Catalysis A: General 192 (2000) 71–79
1.4 表面质量作用定律 表面质量作用定律：挪威化学家古德贝格和瓦格（Guldberg 和Weage）在前人试验的基础上提出，理想吸附层中的表面 基元反应，其速率与反应物在表面上的浓度成正比，而表面浓 度的幂是化学计量方程的计量系数。质量作用定律只适用于基元反应 如对反应：
宏观动力学：包含传递过程和化学反应的气-固催化反应动力学。 本征动力学：不考虑内外扩散传递过程影响的动力学特性(只涉及到上 述过程的第Ⅲ、Ⅳ、V化反应的步骤
6
+
+
吸附相中的化学反应
7
多相催化反应与气相非催化反应的速率比较
分解反应物
HI
N2O
NH3
CH4
非催化活化能 Ea / kJ·mol-1
1.3 速率控制步骤 催化反应由许多基元反应构成，如果其总速率由其中一步的速 率决定，这一步就称为速率控制步骤。 从速控步骤的假定可以进一步推论，在定态时，除速控步骤之 外的其它各步都近似地处于平衡状态。
12
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内外扩散阻滞效应的判断实例
• In order to be sure that the reaction is working under a chemical regime, preliminary experiments were performed to evaluate the influence of external and internal diffusion. In order to evaluate the influence of external diffusion, the reactions were run at a constant contact time, at different volumes of catalyst and therefore at different space velocities. It was found that the external diffusion did not play an important role at contact times up to 8 s • The influence of internal diffusion was studied by running the reaction under the same reaction conditions and by changing the particle size of the catalyst. It was found that the internal diffusion did not play an important role at particle size smaller than 0.250 mm
2、微观动力学：从物质微观特性(如分子尺寸、几何构型、以 及分子各运动能级)出发，研究基元反应的速率。
2
反应动力学的重要参量： 速率常数：可用来比较催化剂的活性； 活化能：判断活性中心的异同； 指前因子：用于求取活性中心的数目。
气固多相催化反应动力学特点： 反应速率与反应物的表面浓度/覆盖度有关； 总包反应动力学带有吸附和脱附动力学的特征，甚至内扩散
非均匀表面吸附动力学方程
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一、基本概念
1.1 反应速率 1、反应速率定义：反应速率表示反应的快慢，通常定义为参 与反应的某种反应物或产物i的量随反应时间的变化率，
是反应空间。对于均相催化反应，是反应体系的体积；对 于固体催化剂的气固多相催化反应，可以是催化剂的体积V 、表面积S或质量W。
对于基元反应： 有
气固多相催化反应动力学基 础
➢ 化学动力学的任务和目的
研究方式：两个分支——宏观和微观
宏观变量 宏观动力学
cB,T,p
宏观动力学 特征
k,n,Ea, A
微观动力学
微观变量
d, εt, εr, εv, εe
1、宏观化学动力学：从宏观变量(浓度、温度、压力等)出发， 研究反应速率。研究具有普遍意义的规律、特性参数—速率常 数、级数、活化能、指前因子等。
如果一个化学反应，反应物分子在碰撞中 相互作用直接转化为生成物的分子。
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2、转换数或转换频率（turnover number or turnover frequency， TOF）：单位时间内每个活性中心引发的总包反应的次数。（总 包反应是所包含的所有基元反应的集合， 亦称非基元反应或简称总反应）
的影响。
3
反应物
气 相 主 体
催化剂
4
催化反应分七步： ◆ 反应物从气流主体扩散到固体催化剂的外表面（外扩散过程） ◆ 反应物进一步向催化剂的微孔内扩散（内扩散过程） ◆ 反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程） ◆ 吸附的反应物转化为反应的生成物（表面反应过程） ◆ 反应物从催化剂的内表面上脱附下来（脱附过程） ◆ 脱附下来的生成物分子从微孔内向外扩散到催化剂外表面处（内 扩散过程） ◆ 生成物分子从催化剂外表面扩散到主体气流中被带出（外扩散过 程）
催化剂
183 Au Pt
245 Au Pt
>335 W Os 锇
~335 Pt
催化活化能 Ea / kJ·mol-1
105 58 121 136 163 197
kS/k (常温A不变时)
1013
1021 1021 1019 >1030 >1024
230~251 >1014
实际过程中，Ea降低时，A下降是不可忽略的。 指前因子可以代表碰撞频率，催化剂活性位减少可能是导致
指前因子减小的原因。
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气-固催化非均相反应动力学
平衡浓度法：存在控制步骤过程的总速率取 决于某个控制步骤的速率，而其它步骤处于 平衡
气-固催化 非均相
反应动力学
均匀表面吸附 动力学方程
吸附控制
存在控制步骤
表面反应控制 脱附控制步骤
无控制步骤
定态法
稳定浓度法（定态法）：当体系达到稳定状 态时，表面中间态物种浓度不随时间变化