催化剂与催化作用PPT课件
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工业催化原理PPT
1.2.1催化反应分类
按催化反应系统物相的均一性进行分类
均相催化反应
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
非均相催化反应是 指反应物和催化剂 居于不同相态的反 应。
酶催化反应同时 具有均相和非均 相反应的性质。
1.2.1催化反应分类
按反应类型进行分类
表1-3 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作
反应类用型
常用催化剂
加氢 脱氢 氧化
羰基化
聚合 卤化 裂解 水合 烷基化，异构化
Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2 Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pp
问题2：请同学们举二个以上的实例？
1.1.4催化剂对加速化学反应具有选择性
表1-2 催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作 用
反应物 催化剂及反应条件
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa
CO+H
2
Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
1.1.2催化作用不能改变化学平衡
问题1：实际工业上催化正反应、逆反应 时为什么往往选用不同的催化剂？
❖ 第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操 作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别， 这对催化剂可能会产生一些影响。
❖ 第二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也 是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变 化。
九级化学上册探究专题课件催化剂和催化作用(共12张PPT)
探究专题(二) 催化剂和催化作用
探究1 对不同催化剂催化效果的探究：某小组同学选择“过氧化氢溶 液生成氧气的快慢与什么因素有关”的课题进行研究，以下是他们探
究的主要过程：
[进行猜想] 假设过氧化氢溶液生成氧气的快慢与催化剂的种类有 关。 [实验方案] 常温下，在两瓶相同体积、相同浓度的过氧化氢溶液中分别 加入二氧化锰和红砖粉，测量各生成一瓶(相同体积)氧气所需要的时 间。
_有__气_泡_放_出____； 氧化铜的质量仍然
__________
带火星的
为0.2 g
__________
木条复燃
步骤⑦结果
有气泡 放出；
带火星的木条
_复_燃________ __________
结论 猜想 Ⅰ、Ⅱ 不成立； 猜想Ⅲ 成立
探究专题(二) 催化剂和催化作用
(2)步骤①的目的是 _与_步__骤_③__对_比__，_检__验_加__入_氧__化_铜_前__后_过__氧_化__氢_的__分_解__速_率__有_无________。
Hale Waihona Puke 探究专题(二) 催化剂和催化作用
过氧化氢在常温下分解缓慢，加入二氧化锰或红砖粉后反应明显加快， 若要证明二氧化锰或红砖粉是不是该反应的催化剂，还需要增加实验来
质量
验证它们在化学反应前后的________和____________是否改变。
化学性质
探究专题(二) 催化剂和催化作用
探究2 催化剂的用量对反应速率的影响的探究：每次均用30 mL 10%的过 氧化氢溶液，采用不同量的二氧化锰粉末作催化剂，测定各次收集到 500 mL氧气时所用的时间，结果如下：(其他实验条件均相同)
探究专题(二) 催化剂和催化作用
《催化作用原理》课件
要点二
详细描述
智能催化与人工酶是未来催化科学与技术的重要发展方向 。通过结合智能技术和生物酶的催化机制，设计具有优异 性能的智能催化剂和人工酶。这将有助于解决一些传统催 化方法难以解决的问题，提高催化反应的效率和选择性。
感谢您的观看
THANKS
详细描述
通过建立动力学模型，可以定量描述反应速 率与反应物浓度、温度等参数之间的关系。 这有助于优化反应条件，提高催化效率。
总结词
反应机理研究方法是探索催化反应如何 发生的重要手段，对于催化剂设计和性
能改进具有指导意义。
详细描述
常用的反应机理研究方法包括同位素示踪法、中间体捕获和红外光谱等。这些方法有助于揭示反应过程中的关键 步骤和中间产物，为催化剂的优化提供理论支持。
催化剂的选择性
总结词
催化剂的选择性是指催化剂对反应物转化为目标产物的选择性，即目标产物在所有产物 中的比例。
详细描述
催化剂的选择性对工业催化过程至关重要，可以提高目标产物的产率和纯度，降低副产 物的生成。影响催化剂选择性的因素包括催化剂的组成、结构、表面性质以及反应条件
等。
催化剂失活与再生
总结词
化工生产中的催化过程
乙烯的合成
通过催化剂的作用，将乙醇转化 为乙烯，是化工生产中重要的原
料。
丙烯腈的合成
通过催化剂的作用，将丙烯和氨转 化为丙烯腈，是重要的合成材料。
苯酚的合成
通过催化剂的作用，将苯和甲醛转 化为苯酚，是重要的化工原料。
环境治理中的催化过程
汽车尾气的催化转化
通过催化剂的作用，将汽车尾气中的有害物质转化为无害物质， 降低空气污染。
03
催化剂的活性与选择性
催化剂的活性
催化作用与催化剂PPT课件
• 载体有天然的和人工合成的，可划分为低比表 面和高比表面两大类。
• 载体关系到催化剂的活性、选择性、热稳定性、 机械强度，也关系到催化过程的传质特性。
载体的功能
1、提供有效的表面和合适的孔结构； 2、增强催化剂的机械强度； 3、改善催化剂的热稳定性； 4、减少活性组分的含量； 5、提供附加的活性中心； 6、与活性组分之间的溢流现象和强相互作
反应物
催化剂对反应具有选择性
-实例
催化剂及反应条件
产物
CO+H2
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
合成氨的反应中，铁系催化剂可以单独作为主催化 剂，已成功工业化数十年，近年的研究证明，使用 Mo-Fe合金更好，合金中Mo含量在80%时其活性比 单独的Fe或Mo都高，这里Mo就是主催化剂，而Fe反 倒成了共催化剂
助催化剂(promoter)
• 助催化剂是加到催化剂中的少量物质 （<5~10%) ，是催化剂的辅助成分，本身没有 催化活性或活性很小。
本章主要内容
1
催化作用的定义
2
催化作用的特征
3
催化剂的组成
催化剂分类 4
催化剂的反应性性能及对工业催
5
化剂的要求
1
催化作用的定义
Catalysis: 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。
• 载体关系到催化剂的活性、选择性、热稳定性、 机械强度，也关系到催化过程的传质特性。
载体的功能
1、提供有效的表面和合适的孔结构； 2、增强催化剂的机械强度； 3、改善催化剂的热稳定性； 4、减少活性组分的含量； 5、提供附加的活性中心； 6、与活性组分之间的溢流现象和强相互作
反应物
催化剂对反应具有选择性
-实例
催化剂及反应条件
产物
CO+H2
Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133×107～ 2.0266×107Pa
Rh络合物,473～573K, 5.0665×107～ 3.0399×108Pa
Cu,Zn,493K, 3×106Pa
合成氨的反应中，铁系催化剂可以单独作为主催化 剂，已成功工业化数十年，近年的研究证明，使用 Mo-Fe合金更好，合金中Mo含量在80%时其活性比 单独的Fe或Mo都高，这里Mo就是主催化剂，而Fe反 倒成了共催化剂
助催化剂(promoter)
• 助催化剂是加到催化剂中的少量物质 （<5~10%) ，是催化剂的辅助成分，本身没有 催化活性或活性很小。
本章主要内容
1
催化作用的定义
2
催化作用的特征
3
催化剂的组成
催化剂分类 4
催化剂的反应性性能及对工业催
5
化剂的要求
1
催化作用的定义
Catalysis: 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。
2-催化剂与催化作用
活性中心的测定：
金属催化剂---利用选择性化学吸附 酸性催化剂---用吸附碱性分子
催化转化数( TON）
单位催化剂（活性中心）生成的产物 的量 单位：g产物/g催化剂，mol产物 /mol催化剂
结构敏感和不敏感反应
对于金属上的有些反应：反应速率与金 属晶粒的大小、形状和其它物理性质无 关，只与金属表面原子的总数有关—结 构不敏感反应。
机械稳定性：固体催化剂颗粒抵抗摩擦、冲 击、重压、温度等引起的种种应力的程度。
活性组分的流失(lose of active component)：催 化剂的某个或某些活性组分，在长期使用过程 中发生升华或化学反应，而逐渐流失。
机械强度(mechanical strength)：催化剂颗粒抵 抗磨擦、冲击和本身的质量负荷以及由于温变、 相变而产生应力的能力。
1936年 改性天然白土作为催化裂化催 化剂生产高辛烷值汽油
40年代初改用合成硅铝胶催化剂 60年代又改用稀土分子筛催化剂，既
进一步提高了汽油辛烷值，又极大地 提高了产率。
催化过程
1953年用Ziegler—Natt催化剂合成聚乙烯 1957年 磷钼酸铋催化剂使丙烯氨氧化合
成丙烯腈，为人造橡胶、纤维、塑料三 大合成材料的生产奠定了基础。
反应速率随表面精细结构而变化—结构 敏感反应。
速率常数
用速率常数比较活性时，要求温度相同。 在不同催化剂上反应，只有当反应的速 率方程有相同的形式时，用速率常数比 较活性大小才有意义。此时，速率常数 大的催化剂的活性高。
转化率(Conversion, %)
反应物在给定的反应条件下转化为产品 （包括副产品）的百分数。
密度(density)：
单位体积（V）内含有的催化剂质量（m）， 即ρ＝m/V
金属催化剂---利用选择性化学吸附 酸性催化剂---用吸附碱性分子
催化转化数( TON）
单位催化剂（活性中心）生成的产物 的量 单位：g产物/g催化剂，mol产物 /mol催化剂
结构敏感和不敏感反应
对于金属上的有些反应：反应速率与金 属晶粒的大小、形状和其它物理性质无 关，只与金属表面原子的总数有关—结 构不敏感反应。
机械稳定性：固体催化剂颗粒抵抗摩擦、冲 击、重压、温度等引起的种种应力的程度。
活性组分的流失(lose of active component)：催 化剂的某个或某些活性组分，在长期使用过程 中发生升华或化学反应，而逐渐流失。
机械强度(mechanical strength)：催化剂颗粒抵 抗磨擦、冲击和本身的质量负荷以及由于温变、 相变而产生应力的能力。
1936年 改性天然白土作为催化裂化催 化剂生产高辛烷值汽油
40年代初改用合成硅铝胶催化剂 60年代又改用稀土分子筛催化剂，既
进一步提高了汽油辛烷值，又极大地 提高了产率。
催化过程
1953年用Ziegler—Natt催化剂合成聚乙烯 1957年 磷钼酸铋催化剂使丙烯氨氧化合
成丙烯腈，为人造橡胶、纤维、塑料三 大合成材料的生产奠定了基础。
反应速率随表面精细结构而变化—结构 敏感反应。
速率常数
用速率常数比较活性时，要求温度相同。 在不同催化剂上反应，只有当反应的速 率方程有相同的形式时，用速率常数比 较活性大小才有意义。此时，速率常数 大的催化剂的活性高。
转化率(Conversion, %)
反应物在给定的反应条件下转化为产品 （包括副产品）的百分数。
密度(density)：
单位体积（V）内含有的催化剂质量（m）， 即ρ＝m/V
各种催化剂及其催化作用-159页PPT资料
La2O3、CeO4等 氧化物混合物 金属盐：Na2CO3、K2CO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、（NH4）2CO3、KCN
等 经碱金属或者碱土金属改性的各种沸石分子筛
液体酸
H2SO4、H3PO4、HCl水溶液、醋酸等
液体碱
NaOH水溶液、KOH水溶液
2、酸碱定义
以AlPO4为例
其酸性与Al/P比和OH含量有关
3、酸中心的形成
阳离子交换树脂酸中心的形成
在树脂中引入不同官能团，形成酸性或碱性 树脂
引入SO42-、引入磺酸基团，成强酸；引入树脂必须用酸或者碱处理才能成为固
体酸、碱
3、酸中心的形成
对外层电子抓得紧的酸
软酸 交界酸, 介于两者之间
软酸硬酸理论
硬碱
给电子原子极化率低，电负性高，难氧化， 不易变形，即对外层电子吸引力强；
难于失去电子对的碱
软碱 交界碱, 介于两者之间
软酸硬酸理论
苯的烷基化可用三氯化铝催化，因为三氯化铝 是硬酸，可与氯代烷中的硬碱cl-配合使其中软 酸烷基成为正离子r+，从而对软碱苯核的反应 性增大。
R+与苯核作用：
硬酸H+与AlCl4-中的硬碱Cl-结合：
H Al-4C A l l3C H l Cl
3、酸中心的形成
浸渍在载体上的无机酸酸中心的形成
均可直接提供H+（B酸）
卤化物酸中心的形成
提供L酸：如BF3 通常加入适量HCl,HF,H2O，使L酸中心转化为B酸中
酸碱电离理论—Arrhenius
在水溶液中电离出H+的物质为酸 电离出OH-的物质为碱
等 经碱金属或者碱土金属改性的各种沸石分子筛
液体酸
H2SO4、H3PO4、HCl水溶液、醋酸等
液体碱
NaOH水溶液、KOH水溶液
2、酸碱定义
以AlPO4为例
其酸性与Al/P比和OH含量有关
3、酸中心的形成
阳离子交换树脂酸中心的形成
在树脂中引入不同官能团，形成酸性或碱性 树脂
引入SO42-、引入磺酸基团，成强酸；引入树脂必须用酸或者碱处理才能成为固
体酸、碱
3、酸中心的形成
对外层电子抓得紧的酸
软酸 交界酸, 介于两者之间
软酸硬酸理论
硬碱
给电子原子极化率低，电负性高，难氧化， 不易变形，即对外层电子吸引力强；
难于失去电子对的碱
软碱 交界碱, 介于两者之间
软酸硬酸理论
苯的烷基化可用三氯化铝催化，因为三氯化铝 是硬酸，可与氯代烷中的硬碱cl-配合使其中软 酸烷基成为正离子r+，从而对软碱苯核的反应 性增大。
R+与苯核作用：
硬酸H+与AlCl4-中的硬碱Cl-结合：
H Al-4C A l l3C H l Cl
3、酸中心的形成
浸渍在载体上的无机酸酸中心的形成
均可直接提供H+（B酸）
卤化物酸中心的形成
提供L酸：如BF3 通常加入适量HCl,HF,H2O，使L酸中心转化为B酸中
酸碱电离理论—Arrhenius
在水溶液中电离出H+的物质为酸 电离出OH-的物质为碱
第2章催化剂与催化作用
一．组成 1. 活性组分：电导类型分类 2. 助催化剂：结构型、电子型——活性、选择性、寿命 3. 载体：低/高表面、天然/人工——活性、选择性、强度热
稳定性、传递过程 二．载体功能
1. 提供有效表面和孔结构（分散活性组分、合理的孔径及 分布
2. 增强机械强度（抗磨损、冲击、重压、相变、温度等）
3.减少活性组分用量
七．
聚应力
八． 寿命：指cat有效使用时间的情况
九． 间
1）能达到生产能力、消耗定额所能够使用的时
一○．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2）也可表示为再生后累计使用的时间
工业催化剂使用寿命
反应 甲醇空气氧化 乙烯氧化制环氧乙烷 萘空气氧化制萘酐 丙烯氨氧化制丙烯酸 二氧化硫氧化制硫酸
组成 Fe-Mo
Ag V-P-T氧化物 BI-Mo氧化物 V2O5/K2SO4
三、助催化剂的功能 1.可以改变催化剂的化学组成、化学结构、电子结构、晶 格结构、酸碱性、离子价态等 2.可以改变载体的性能。如：改变表面构造、孔结构、孔 分布、机械强度等。 一般助催化剂的含量效应比载体含量的效应要敏感的多
第三节 对工业催化剂的要求
三方面要求：1）活性 2）选择性 3）稳定性（或寿命） 一．活性及选择性指标 二． 活性定义：cat影响反应进程变化的程度 三． 通常表示法：1）给定温度下转化率x的大小来表示
YT.S.
SVcVxs4k 4环 g 氧 /m （ 乙 3 催 烷•化 h 剂） 2.4 2
二．稳定性和寿命指标
三． 稳定性：活性、选择性随时间变化的情况
四． 包括：1）热稳定性：0.3Tm、0.5Tm、烧结（Tm熔 点）
五．
2）化学稳定性：杂质、结焦、污染
六． 抗内
稳定性、传递过程 二．载体功能
1. 提供有效表面和孔结构（分散活性组分、合理的孔径及 分布
2. 增强机械强度（抗磨损、冲击、重压、相变、温度等）
3.减少活性组分用量
七．
聚应力
八． 寿命：指cat有效使用时间的情况
九． 间
1）能达到生产能力、消耗定额所能够使用的时
一○．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2）也可表示为再生后累计使用的时间
工业催化剂使用寿命
反应 甲醇空气氧化 乙烯氧化制环氧乙烷 萘空气氧化制萘酐 丙烯氨氧化制丙烯酸 二氧化硫氧化制硫酸
组成 Fe-Mo
Ag V-P-T氧化物 BI-Mo氧化物 V2O5/K2SO4
三、助催化剂的功能 1.可以改变催化剂的化学组成、化学结构、电子结构、晶 格结构、酸碱性、离子价态等 2.可以改变载体的性能。如：改变表面构造、孔结构、孔 分布、机械强度等。 一般助催化剂的含量效应比载体含量的效应要敏感的多
第三节 对工业催化剂的要求
三方面要求：1）活性 2）选择性 3）稳定性（或寿命） 一．活性及选择性指标 二． 活性定义：cat影响反应进程变化的程度 三． 通常表示法：1）给定温度下转化率x的大小来表示
YT.S.
SVcVxs4k 4环 g 氧 /m （ 乙 3 催 烷•化 h 剂） 2.4 2
二．稳定性和寿命指标
三． 稳定性：活性、选择性随时间变化的情况
四． 包括：1）热稳定性：0.3Tm、0.5Tm、烧结（Tm熔 点）
五．
2）化学稳定性：杂质、结焦、污染
六． 抗内
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第一章 催化剂与催化作用(Catalyst and Catalysis)
• 催化剂及催化作用的定义与特性 • 催化反应与催化剂分类 • 催化剂的基本组成 • 催化剂的反应性能 • 对工业催化剂的要求
1、催化剂及催化作用的定义与特性
• 定义
国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出定义：
Na
Cu(COO)2
CH3CHO + H2 C2H4 + H2O (C2H5)2 O+ H2O
同一催化剂，条件不 同，产物也不同
CH2=CH-CH=CH2 + H2O + H2
CH3COOCH2C2H5 + H2 乙酸丙酯
C4H9 OH + H2O
CH3CH2OCH3 + H2 + CO 甲乙醚
热成反甲应醛时的生能成垒C小O很2比多生
加速正反应速率的同时，也必以相同倍数加速逆反应速率 逆
能催化正反应的催化剂，也应该能催化逆反应（加氢/脱氢，水合/脱水 ）
用途：缓和条件下初步筛选催化剂（合成氨、甲醇、加氢/脱氢）
注意：实际工业上催化正、逆反应，往往选用不同催化剂！
对某一催化反应进行正、逆反应的操作条件（温度、压力、进料组成 ）往往会有很大差别，这对催化剂可能会产生一些影响。如，反应温 度高易引起金属催化剂晶粒变大，导致活性随反应时间延长而迅速下 降；反应压力高会引起催化剂表面吸附物种数量增加，导致催化剂活 性和选择性发生变化
大型合成氨厂：
压力： 20 - 35 MPa 温度： 400 - 500 ℃ 催化剂： Fe-K2O-Al2O3
• 催化剂的基本特性
– 催化剂对反应具有选择性（催化剂的专用性） 专一对某一反应起加速作用的性能为选择性
Ni CH4
473-573 K 0.1-2 MPa
CO + H2 （合成气）
Cu-Zn-O, Zn-Cr-O 573 K 10-20 MPa Pt/Rh/SiO2 573 K 7 MPa Rh 络合物
△G催化 = △G非催化
催化剂
SO2 SO2 SO2 ZnSO4 HCl 草酸 磷酸 平均
催化剂在反应体系中含量
0.02 0.063 0.079
2.7 0.15 0.52 0.54
达到平衡时的体积增量
8.19 8.34 8.20 8.13 8.15 8.27 8.10 8.19
推论：
K = k正 / k
催化剂是一种能够改变化学反应速度，而它本身不参与最终 产物的物质
• 催化剂的基本特性
– 改变反应途径，降低反应活化能，加快反应速度（催化剂的
共性 — 活性）
N2 + 2*
2N* Key
1/2N2 ＋ 3/2H2
NH3
H2 + 2* N* + H*
2H* NH* + *
E非 能 量
E1
Fe催化反应速率＝ 3×1013 非催化反应速率 （ 500℃ 常压 ） 吸附
CH2 --- CH2
O
PdCl2-CuCl2
C2H4 + ½ O2
CH3CHO
Kp = 1.6×106 Kp = 6.3×1013
C2H4 + 3 O2
2CO2 + 2H2O Kp = 4.0×10120
自由能降低最大的反 应是否先进行?
答：选择性与 G和 Kp无关!
• 催化剂的基本特性
– 只能加速热力学上可行的反应，而不能加速热力学上不能进 行的反应
对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也是值得注意的，因为这 些副反应会引起催化剂性能变化。如，有机化合物在加氢/脱氢反应 中，镍催化剂对加氢是非常活泼的，但对脱氢反应效果较差，这是因 为脱氢反应中伴随的有机物积炭副反应会使催化剂迅速失活
催化剂的基本特性——小结：
改变反应途径，降低反应活化能，加快反应速度 催化剂能做什么？ 催化剂对反应具有选择性
催 化 剂 — 是一种物质，它能加速反应的速率而不改变该
反应的标准Gibbs自由能变化
催化作用 — 催化剂的这种作用为催化作用
催化反应 — 涉及催化剂的反应为催化反应
∆G = ∆ H - T
其它定义：
∆S
催化剂是一种加快热力学上允许的化学反应达到平衡的速率 ，而在反应过程中自身不被明显消耗的物质
表面反应
脱附
NH* + H* NH2* + H*
NH3*
NH2* + * NH3* + * NH3 + *
通过改变反应历程，使反应沿 一条新的途径进行，此途径是 几个基元反应组成，而基元反 应活化能都很小，因此反应所 需克服的能垒值大大减少
1/2N2+3/2H2 Na+3Ha
(N应，而不能加速热力学上不能进行的反应
只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡位置
催化剂不能做什么？
• 其他基本概念
– 催化作用的体现：给定温度下 提高速率；降低达到给定转化 率所需温度
– 催化是一个循环过程（催化循 环）
– 催化剂用量很少且不消耗
– 化学计量方程式与催化剂量无
473-563 K 50-300 MPa Cu-Zn及分子筛 493 K 3 MPa Fe, Co 473 K 0.1-3 MPa
CH3OH C2H5OH 乙二醇 二甲醚 合成汽油
C2H5OH
Cu 200-250 ℃ Al2O3 350-380 ℃ Al2O3 250 ℃ ZnO-Al2O3 400-450 ℃ Cu（活化）
CH3OH+O2 = CO2+2H2O
催化反应时，生成CO和 CO2的成能甲垒醛明的显能高垒于生
Ag CH3OH+O2 = HCHO+2H2O
甲醇氧化反应的不同 能垒变化示意图
对产物具有选择性的主要原因是 由于催化剂可以显著降低主反应 的活化能，而副反应活化能的降 低则不明显（甚至增加）
Ag
C2H4 + ½ O2
关，但 r ∝ Mcat
– 参加反应后催化剂有微小变化
– 能量转移使反应加速非催化作 用（催化剂是一种物质实体）
– 均相反应溶剂效应非催化作用
– 引发剂非催化剂
log k
只有热力学允许，平衡常数较大的反应 加入催化剂才有意义
在开发新反应催化剂时，首先应进行热 力学分析，看它在给定条件下是否属于 热力学上可行的反应
△G ＜ 0
△G 0 = - RT lnK
• 催化剂的基本特性
– 只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡位置（平衡常数）
三聚乙醛解聚（三聚乙醛 乙醛，60.5 ℃）
• 催化剂及催化作用的定义与特性 • 催化反应与催化剂分类 • 催化剂的基本组成 • 催化剂的反应性能 • 对工业催化剂的要求
1、催化剂及催化作用的定义与特性
• 定义
国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出定义：
Na
Cu(COO)2
CH3CHO + H2 C2H4 + H2O (C2H5)2 O+ H2O
同一催化剂，条件不 同，产物也不同
CH2=CH-CH=CH2 + H2O + H2
CH3COOCH2C2H5 + H2 乙酸丙酯
C4H9 OH + H2O
CH3CH2OCH3 + H2 + CO 甲乙醚
热成反甲应醛时的生能成垒C小O很2比多生
加速正反应速率的同时，也必以相同倍数加速逆反应速率 逆
能催化正反应的催化剂，也应该能催化逆反应（加氢/脱氢，水合/脱水 ）
用途：缓和条件下初步筛选催化剂（合成氨、甲醇、加氢/脱氢）
注意：实际工业上催化正、逆反应，往往选用不同催化剂！
对某一催化反应进行正、逆反应的操作条件（温度、压力、进料组成 ）往往会有很大差别，这对催化剂可能会产生一些影响。如，反应温 度高易引起金属催化剂晶粒变大，导致活性随反应时间延长而迅速下 降；反应压力高会引起催化剂表面吸附物种数量增加，导致催化剂活 性和选择性发生变化
大型合成氨厂：
压力： 20 - 35 MPa 温度： 400 - 500 ℃ 催化剂： Fe-K2O-Al2O3
• 催化剂的基本特性
– 催化剂对反应具有选择性（催化剂的专用性） 专一对某一反应起加速作用的性能为选择性
Ni CH4
473-573 K 0.1-2 MPa
CO + H2 （合成气）
Cu-Zn-O, Zn-Cr-O 573 K 10-20 MPa Pt/Rh/SiO2 573 K 7 MPa Rh 络合物
△G催化 = △G非催化
催化剂
SO2 SO2 SO2 ZnSO4 HCl 草酸 磷酸 平均
催化剂在反应体系中含量
0.02 0.063 0.079
2.7 0.15 0.52 0.54
达到平衡时的体积增量
8.19 8.34 8.20 8.13 8.15 8.27 8.10 8.19
推论：
K = k正 / k
催化剂是一种能够改变化学反应速度，而它本身不参与最终 产物的物质
• 催化剂的基本特性
– 改变反应途径，降低反应活化能，加快反应速度（催化剂的
共性 — 活性）
N2 + 2*
2N* Key
1/2N2 ＋ 3/2H2
NH3
H2 + 2* N* + H*
2H* NH* + *
E非 能 量
E1
Fe催化反应速率＝ 3×1013 非催化反应速率 （ 500℃ 常压 ） 吸附
CH2 --- CH2
O
PdCl2-CuCl2
C2H4 + ½ O2
CH3CHO
Kp = 1.6×106 Kp = 6.3×1013
C2H4 + 3 O2
2CO2 + 2H2O Kp = 4.0×10120
自由能降低最大的反 应是否先进行?
答：选择性与 G和 Kp无关!
• 催化剂的基本特性
– 只能加速热力学上可行的反应，而不能加速热力学上不能进 行的反应
对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也是值得注意的，因为这 些副反应会引起催化剂性能变化。如，有机化合物在加氢/脱氢反应 中，镍催化剂对加氢是非常活泼的，但对脱氢反应效果较差，这是因 为脱氢反应中伴随的有机物积炭副反应会使催化剂迅速失活
催化剂的基本特性——小结：
改变反应途径，降低反应活化能，加快反应速度 催化剂能做什么？ 催化剂对反应具有选择性
催 化 剂 — 是一种物质，它能加速反应的速率而不改变该
反应的标准Gibbs自由能变化
催化作用 — 催化剂的这种作用为催化作用
催化反应 — 涉及催化剂的反应为催化反应
∆G = ∆ H - T
其它定义：
∆S
催化剂是一种加快热力学上允许的化学反应达到平衡的速率 ，而在反应过程中自身不被明显消耗的物质
表面反应
脱附
NH* + H* NH2* + H*
NH3*
NH2* + * NH3* + * NH3 + *
通过改变反应历程，使反应沿 一条新的途径进行，此途径是 几个基元反应组成，而基元反 应活化能都很小，因此反应所 需克服的能垒值大大减少
1/2N2+3/2H2 Na+3Ha
(N应，而不能加速热力学上不能进行的反应
只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡位置
催化剂不能做什么？
• 其他基本概念
– 催化作用的体现：给定温度下 提高速率；降低达到给定转化 率所需温度
– 催化是一个循环过程（催化循 环）
– 催化剂用量很少且不消耗
– 化学计量方程式与催化剂量无
473-563 K 50-300 MPa Cu-Zn及分子筛 493 K 3 MPa Fe, Co 473 K 0.1-3 MPa
CH3OH C2H5OH 乙二醇 二甲醚 合成汽油
C2H5OH
Cu 200-250 ℃ Al2O3 350-380 ℃ Al2O3 250 ℃ ZnO-Al2O3 400-450 ℃ Cu（活化）
CH3OH+O2 = CO2+2H2O
催化反应时，生成CO和 CO2的成能甲垒醛明的显能高垒于生
Ag CH3OH+O2 = HCHO+2H2O
甲醇氧化反应的不同 能垒变化示意图
对产物具有选择性的主要原因是 由于催化剂可以显著降低主反应 的活化能，而副反应活化能的降 低则不明显（甚至增加）
Ag
C2H4 + ½ O2
关，但 r ∝ Mcat
– 参加反应后催化剂有微小变化
– 能量转移使反应加速非催化作 用（催化剂是一种物质实体）
– 均相反应溶剂效应非催化作用
– 引发剂非催化剂
log k
只有热力学允许，平衡常数较大的反应 加入催化剂才有意义
在开发新反应催化剂时，首先应进行热 力学分析，看它在给定条件下是否属于 热力学上可行的反应
△G ＜ 0
△G 0 = - RT lnK
• 催化剂的基本特性
– 只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡位置（平衡常数）
三聚乙醛解聚（三聚乙醛 乙醛，60.5 ℃）