催化原理习题

《催化原理》习题（一）

第一章

一、填空题

a)本世纪初，合成NH3 ，HNO3 ，H2SO4催化剂的研制成功为近代无

机化学工业的发展奠定了基础。催化裂化，催化加氢裂化，催化

重整催化剂的研制成功促进了石油化工的发展。

b)随着科学的进步，所研制的催化剂活性的提高和寿命的延长，为化工

工艺上降低反应温度、压力，缩短流程，简化反应装置提供了有

力的条件。

四.回答题

1.简单叙述催化理论的发展过程。

答：从一开始，催化剂的应用就走在其理论的前面。

1925年，Taylor的活性中心学说为现代催化理论的奠定了基础。

在以后的20多年中，以均相反应为基础，形成了中间化合物理论。

50年代，以固体能带模型为弎，又形成了催化电子理论。

60年以后，以均相配位催化为研究对象，又形成表面分子模型理论。

由此，催化理论逐渐发展起来。

2.哪几种反应可以在没有催化剂的情况下进行，在此基础上分析催化作

用的本质是什么。

答：（1）下列反应可在没有催化剂时迅速进行：

a)纯粹离子间的反应

b)与自由基有关的反应

c)极性大或配们性强的物质间的反应

d)提供充分能量的高温反应

（2）在含有稳定化合物的体系中加入第三物质（催化剂），在它的作用下，反应物的某些原子会发生离子化，自由基化或配位化，从而导致

反应历程的变化，使反应较容易进行。这就是催化剂催化作用的本质。第二章

一.概念题(催化剂的) 选择性，催化剂失活，可逆中毒，催化剂机械强度

答：催化剂的选择性：是衡量催化剂加速某一反应的能力。

催化剂失活：催化剂在使用过程中，其结构和组成等逐渐遭到破坏，导致催化剂活性和选择性下降的现象，称为催化剂失活。

可逆中毒：指毒物在活性中心上的吸附或化合较弱，可用简单方法使催化剂的活性恢复。

催化剂机械强度：指固体催化剂颗粒抵抗摩擦、冲击、重力的作用，以及温度、相变作用的能力。

二.填空题:

a) 按照反应机理中反应物被活化的方式催化反应可分为: 氧化还原催化反

应，酸碱催化反应，配位催化反应。

b)结构性助剂可改变活性组分的物理性质，而调变形助剂可改变活性组

分的化学性质。

c)催化剂的活化可分为热活化和化学活化。

d)消除外扩散的主要方法是提高流体流速，消除内扩散的主要方法是减

小催化剂粒度至反应速度不随粒度而改变。

e)非均相催化反应可以分为气固催化反应，液固催化反应，气液催化

反应。

三。简答题

a)根据其功能的不同，助剂可分为哪几类?

答：可分主结构性助剂、调变性（电子性）助剂、晶格缺陷性助剂和扩散性助剂。

b)根据使用条件下的物质类型，催化剂可分为哪几类?

答：可分为过渡金属催化剂、金属氧化物催化剂、酸碱（固液）催化剂和金属络合催化剂。

c)为什么象铝一样的轻金属不适宜作氧化还原反应的催化剂?

答：因为轻金属容易因为氧化而变质，从而失去活性。

d)催化剂失活的主要因素有哪些?

答：催化剂失活主要有化学组成变化和催化剂结构变化两种。化学组成变化主要有活性组分挥发、流失、活性组分的中毒；催化剂结构变化包括催化剂分散度下降，活性组分烧结、积碳、孔堵塞，机械强度下降。

e)什么元素或基团可使过渡金属催化剂中毒，中毒机理是什么?

答：S、Se、Te、P、As、NH3、PH3、Bi、Se、Fe、H2O及其化合物可使过渡金属催化剂中毒。

中毒机理是：过渡金属元素具有空的低轨道，而非金属元素结构上具有一个共同的特点，即有未公用的电子对，它能和金属的d轨道成键。

三.回答题

a)助剂在催化剂中的作用有哪些?

答：助催化剂本身无活性或活性较小，加入少量后，可大大提高催化剂的活性、选择性、寿命、稳定性等性能的物质。可区分为：

i.结构性助剂改变活性组分的物理性能。如几何状态、孔结构、比表

面使催化剂不易烧结。

ii.调变性（电子性）助剂可以改变活性组分的电子结构（化学性能）来提高活性组分的活性和选择性。

iii.晶格缺陷性助剂可以使活性相原子排列无序化，从而使活性物质微晶间形成更多的晶格缺陷，产生了新的活性中心，使活性提高。

iv.扩散性助剂的作用则通过加入硝酸盐、碳酸盐或有机物，使之在焙烧时分解而在催化剂中形成孔，提高体相内活性组分的利用率。

b)CO和H2甲烷化为CO +H2 = CH4 + H2O H = -49.3 kcal/mol

当采用Ni/Al2O3为催化剂时，催化反应中CO吸附，H2和H2O不吸附，测得CO|的吸附活化能为10kcal/mol，吸附热Q = 16kcal/mol。吸附的CO和气相中H2表面反应活化能为32kcal/mol，反应热Q = 44kcal/mol。CH4的脱附活化能为20kcal/mol。

（1）画出表面催化反应过程能量变化的示意图；

（2） 计算甲烷吸附活化能； 答：反应过程可以表示为： i. mol kcal Q S

CO S CO /161=-⇔+ ii. mol kcal Q O H S CH S CO /443H 2242=+-⇔+- iii.

344Q S

CH S CH +⇔-

且由图可以看出：

。

为所以，甲烷吸附活化能因此：又因为：则：所以：将上述三方程加和为：mol kcal mol kcal H E E E E H mol kcal H H H H H H H H O H CH H CO mol kcal Q H mol kcal Q H d a a

d /9.3/3.9/10.7/44/16332133

212422211=∆-=-=∆=∆-∆-∆=∆∆+∆+∆=∆+→+-=-=∆-=-=∆

（3） 指出催化反应过程控制步骤； 答：由Arrehnius 方程：RT E a e k k /0-=可知： E a 越大，k 越小，r 就越小

因此，该反应控制步骤为表面反应。 （4） 计算催化反应活化能E 。 答：催化反应活化能：

mol kcal Q E E A /1612=-=

c) 化学反应 2

1

A 2

C 其中A 2为解离吸附，反应机理为

2

1

A 2

A-S ;

B-S ;

A-S + B-S C-S + S ;

C-S C + S

求在下列不同情况下的速率方程式 1）当化学反应为控制步骤时； 2）当吸附为控制步骤时；3）当脱附为控制步骤时。

答：1）当化学反应

A-S + B-S C-S + S 为控制步骤，则其余可以视为已达到平衡