工业催化--第一章-催化剂与催化作用-(1).讲解学习

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72.8％，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 烯产率超过72.8％是不可能的。
第一章 催化剂与催化作用
本章主要内容 催化作用的基本概念和原理 催化剂的主要组成和功能 工业催化剂的基本要求
提高反应速度的方法
工业上的化学反应，要能以一定速度进行， 即在单位时间内能够获得足够数量的产品。
提高反应速度的手段： 加热的方法 光化学方法 电化学方法 催化方法 既能提高反应速度，又能控制反应方向
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）
化学平衡是由热力学决定，G0＝—RT1nKP ， KP为平衡常数，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。
催化作用的特征（3）
催化剂对反应具有选择性
根据热力学计算，某一反应可能生成不只一 种产物时，应用催化剂可加速某一目的产物 的反应，即称为催化剂对该反应的选择性。
工业上利用催化剂具有选择性，使原料转化 为所需要的产品。
例如，以合成气(CO＋H2)为原料，使用不同 的催化剂则沿不同的途径进行反应。
活性中心与转换频率
催化剂并非所有的部分都参与反应物到产物的转化， 因此那些参与的部分被称为活性中心。大多数工业 催化剂使用的形式是多孔小球，每一个小球一般包 含1018个催化中心。
转换频率是指每个催化中心上单位时间内产生的给 定产物的分子数。
催化剂在更换前每个催化活性中心上的催化循环周 转超过十亿（109）次。
催化剂如何加速反应速率？
-无催化剂时合成氨的活化能
N2+3H2=2NH3 无催化剂存在时，在500oC、常压条件下，反 应活化能高，~334 kJ/mol 。此条件下反应速 度极百度文库，觉察不出氨的生成。
催化剂如何加速反应速率？
有催化剂存在下，在催化剂表面发生了一系列表面 作用过程，最后生成氨分子。催化反应的速率控制 步骤是氮解离步骤，该步的活化能~70 kJ/mol 。
催化剂发展简史
J.J.Berzelius 1836年提出“催化作用”概念 Cata：下降 Lysis：分裂破裂
工业催化剂市场
工业催化剂市场主要有三大领域：
（1）炼油催化剂市场(是最大的)； （2）化学品生产催化剂市场； （3）环保催化剂市场。
工业催化研究前沿领域
石油资源的短缺，利用天然气和煤发展C1化工是未 来的发展趋势。利用天然气生产合成液体燃料、替 代液化石油气和车用柴油的二甲醚、经甲醇合成乙 烯和丙烯的MTO及MTP工艺已成为当今C1化工研 究开发重点，而开发新型高效催化剂是关键。
工业催化--第一章-催化剂与催 化作用-(1).
工业催化在现代化学工业中的作用
90％以上的化工产品借助催化剂生产
无机化工领域的合成氨、硝酸、硫酸等 石油加工领域的催化裂化、催化重整等 有机化工原料中的甲醇、醋酸、丙酮等 煤化工中的催化液化与气化 高分子化工中的聚合物材料 药物、精细化学品生产 环境保护也需借助催化过程
活性—是指催化剂影响反应进程变化的 程度。
选择性—是指所消耗的原料中转化成目 的产物的分率。
稳定性—是指催化剂的活性和选择性随 时间变化的情况。
催化剂对反应具有选择性 -实例
催化作用的特征（4）
-催化剂的寿命
催化剂能改变化学反应的速度，其自身不进入 反应的产物，在理想的情况下不为反应所改变。
催化剂在参与反应过程中，先与反应物生成中 间络合物，再继续反应生成产物，催化剂恢复 到原来的状态。
实际反应过程中，会发生不可逆物理和化学变 化，如晶相变化、晶粒分散度的变化、组分的 流失等，导致催化剂的失活。
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
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。
从长远发展方向看，生物催化因选择性高、副反应 少、反应条件温和、设备简单，是持续发展所需要 的绿色生产技术。
工业催化课程主要内容
第一章、催化作用与催化剂 第二章、吸附作用与多相催化 第三章、酸碱催化剂及其催化作用 第四章、分子筛催化剂及其催化作用 第五章、金属催化剂及其催化作用 第六章、金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用 第七章、酶及其催化作用简介 第八章、工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征 第九章、工业催化剂的制备与使用
什么是催化剂?
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。
催化剂将反应物转变为产物，在循环的最终步骤催 化剂再回到其原始状态。更简单地说，催化剂是一 种加速化学反应，而在其过程中自身不被消耗掉的 物质
金属、金属化合物(如金属氧化物、硫化物等)、有 机金属络合物、酶或细胞等。
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。
思考题
具有加氢功能的催化剂往往对脱氢 反应也有活性。试给予解释？
催化剂几个重要的性能指标
活性、选择性、稳定性 工业生产更多强调的是原料和能源的充
分利用。 改进型的研究，一般是追求选择性，其
次是稳定性，最后才是活性。 新催化剂及工艺的研究，则先追求高活
性、高选择性，最后才是稳定性。
催化剂活性、选择性和稳定性的概念