各类催化剂及催化作用
各类催化剂及催化作用
各类催化剂及催化作用催化剂是指在化学反应中起到催化作用的物质，它能够提高化学反应的速率，但自身并不参与反应，也不会被反应消耗掉。
催化剂在工业生产中起着重要的作用，它们可以提高反应速率，降低能量消耗，减少副产物的生成，并且可重复使用。
催化剂可以分为很多类别，下面将介绍几种常见的催化剂及其催化作用：1.金属催化剂：金属催化剂是使用最广泛的催化剂之一、金属催化剂的催化作用主要体现在电化学反应和气相反应中，如Pt、Pd、Ru等常用于氧化还原反应和催化加氢反应。
金属催化剂在催化反应中起到吸附和活化反应物，提供活性位点以促使反应进行的作用。
2.酸催化剂：酸催化剂是指那些具有酸性的催化剂，如硫酸、磷酸、氯化铝等。
酸催化剂的催化作用主要表现在酸碱中和反应、质子传递等方面。
酸催化剂在酯化、醇缩聚反应、酮醛缩合反应等有机合成中具有重要的应用。
3.碱催化剂：碱催化剂是一类具有碱性的催化剂，如氢氧化钠、碳酸钠等。
碱催化剂的催化作用主要体现在酸碱中和反应、质子传递等方面。
碱催化剂常用于酯化反应、醇缩合反应、醚化反应等有机合成中。
4.酶催化剂：酶是一类具有催化作用的生物催化剂，能够在生物体内催化各种生化反应。
酶催化剂具有催化效率高、催化选择性好、温和条件下催化等特点。
酶催化剂在食品工业、制药工业等领域都有广泛的应用。
5.网络催化剂：网络催化剂是一种多孔材料，其特殊的结构和性质使其具有较大的比表面积和丰富的催化活性位点。
网络催化剂广泛用于催化裂化、催化加氢、催化氧化等工艺。
6.孔隙催化剂：孔隙催化剂是指具有一定孔隙结构的固体催化剂，如分子筛、活性炭等。
孔隙催化剂的孔隙结构能够提供大面积的活性表面，促进反应物分子的扩散和吸附，从而加速了反应速率。
总的来说，催化剂在化学反应中起到了至关重要的作用，它们能够降低反应的活化能，提高反应速率，降低能量消耗，减少副产物的生成。
通过选择合适的催化剂，可以实现高效、低能耗的化学反应，从而促进工业生产的发展。
催化剂的特性及其作用
催化剂的特性及其作用一、催化剂的特性1、三乙基铝(TEAL):三乙基铝为催化剂助剂的一种,显弱酸性,具有非常强的活性,遇空气中的氧气能发生自然,遇水发生爆炸,它与主催化剂形成Ti-C活性中心并可以在聚合反应中杀死对主催化剂有害的物质.2、给电子体(DONOR):全名甲基环己基二甲氧基硅烷,也是催化剂助剂的一种,显弱碱性,遇水可分解出甲醇对人体皮肤和眼睛造成一定伤害,其主要调节聚丙烯分子量的分布及产品的等规度.3、主催化剂:四氯化钛为主催化剂,遇水可分解出HCL性水溶液对人体造成伤害.这三种催化剂除TEAL以纯品投用外其他两种均用白油稀释后注入反应区并且三中催化剂储存时都需要氮封,防止空气进入反应区影响反应活性.二、催化剂在反应中的作用本装置采用的催化剂为CS-2,CS-2是我国第四代催化剂,活性可高达≯30KGpp/g催化剂,产品等规度达98%,无脱灰、无脱无规物、无造粒等.其催化剂成分包括四氯化钛(内给电子体邻苯二甲酸酯),三乙基铝,外给电子体DONOR.由于TEAL显弱酸性能中和掉主CAT中显弱碱性的内给电子体所以加入DONOR作为补给.而DONOR过量则会减少反应中活化铝的量使得CO、SO等带有孤对电子对的杂质不能完全被消除导致反应活性下降,所以TEAL和DONOR要以一定的比例投用到反应中而却保催化剂的活性.催化剂的载体为活化后的球形MgCl2，主CAT负载在其表面与TEAL、DONOR一起进入到D201中进行链引发过程，进行烷基化后的主CAT和TEAL形成Ti-C活性中心，与DONOR 一起负载在载体上共同研磨就形成了高活性、立构性好的催化剂。
丙烯单体就在Ti-C活性中心上进行聚合过程，而DONOR主要确保聚丙烯的分子量分布以及等规度，而由于载体MgCl2为球形则聚合后的丙烯也为球状，即实现无造粒过程。
各类催化剂及催化作用
工业催化原理
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二、发展史
1、 五十年代 —— 沸石 干燥剂：
产品含水可脱到 1—10 ppm 净化剂：
天然气、裂解气脱H2S、CO2比硅胶净化度提高10 ～20倍 烃类分离：
脱蜡： 异构烷中分离正构烷 从混合二甲苯中分离对二甲苯 （KBaY分子筛）
工业催化原理
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工业催化原理
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菱沸石—含钙沸石
窗口为八元环，有效直径为 4.9 Å 基本化学组成： （Na2,Ca）（Al2Si14O32）·6H2O
工业催化原理
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磷酸铝系分子筛结构
80年代出现第三代新型分子筛
大孔： AlPO—5
0.7—0.8 nm
中孔： AlPO—11 小孔： AlPO—30
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➢ 活性： 酸活性最高峰，不是与Cat表面-OH最高含量相适
应，是经过局部脱水达到。 ➢ 特点： B、L 可相互转换
B
L
工业催化原理
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骨架外铝离子会强化酸位，形成L 酸 与OH基酸位相互经强化后
工业催化原理
三配位的铝离子从骨架上 脱出
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1、酸中心的形成与本征催化性能 氢型和脱阳离子型沸石分子筛酸中心的形成。
交换
Na+
NH4+
H 型 -H2O 阳离子型
工业催化原理
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➢ NaY 例
工业催化原理
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H型
脱阳离子型
各类催化剂及其作用机理
各类催化剂及其作用机理催化剂是在化学反应中增加反应速率的物质，而不会参与到反应物中。
催化剂通过降低反应的活化能，从而加速反应速率。
催化剂可以分为不同的类别，下面将介绍一些常见的催化剂及其作用机理。
1.酶催化剂：酶是一种生物催化剂，可以加速生物体内的化学反应。
酶可以提供适当的环境条件，例如调节pH值或者提供特定的化学官能团，从而使反应可以在体温下进行。
此外，酶还可以通过空间结构的安排来使反应物分子相互靠近，从而增加反应速率。
2.金属催化剂：金属催化剂是一种常见的催化剂类型。
金属催化剂可以通过多种机理来促进化学反应。
例如，金属催化剂可以提供吸附位点，吸附反应物分子，从而降低反应物分子之间的反应活化能。
此外，金属催化剂还可以通过电子传递来改变反应物的电子结构，从而影响反应速率。
3.氧化剂与还原剂：氧化剂与还原剂是一对常用的催化剂。
氧化剂接受电子，而还原剂提供电子。
这种电子传递可以促进化学反应的进行。
例如，氧化剂可以从反应物中接受电子，使其变为更高氧化态，而还原剂则提供电子，使其从氧化态还原回来。
通过这种电子传递，可以加速反应速率。
4.酸催化剂与碱催化剂：酸催化剂和碱催化剂是一种广泛应用于有机合成中的催化剂。
酸催化剂可以提供H+，从而使反应物离子化或产生活泼的电子，从而加速反应进行。
碱催化剂则可以提供OH-，并参与反应物的亲核取代反应。
这些催化剂可以通过质子转移或者亲核取代等机制来加速反应速率。
5.纳米催化剂：纳米催化剂是指粒径在纳米尺寸范围内的催化剂。
与传统的催化剂相比，纳米催化剂具有更高的活性和选择性。
纳米催化剂的高活性主要是由于其较高的比表面积和较高的晶格缺陷密度。
这些特征使纳米催化剂在催化反应中具有优秀的活性和稳定性。
总结起来，催化剂是一种可以加速化学反应速率的物质。
不同类别的催化剂具有不同的催化机理，包括提供合适的环境条件、提供吸附位点、改变反应物电子结构、接受或提供电子等。
了解不同类别的催化剂及其作用机理对于理解催化反应的基本原理非常重要，并对催化反应的设计和优化具有重要的指导意义。
各类催化剂及其作用机
各类催化剂及其作用机催化剂是一种能够加速化学反应速率，但本身在反应结束时其自身的化学组成是没有变化的物质。
催化剂可以参与反应的过渡态，从而降低活化能，促进反应的顺利进行，因此在化工、制药、能源等多个领域都有广泛应用。
下面将介绍几种常见的催化剂及其作用机制。
1.催化剂：金属催化剂金属催化剂是最常见和广泛应用的催化剂之一、一般情况下，金属催化剂通过吸附和解离反应物分子，使其形成活性中间体，从而降低反应的活化能。
金属催化剂还可以提供电子或质子，以调节反应中的电子密度分布。
作用机制：以铂为代表的贵金属催化剂常用于氧化还原反应，如加氢反应和氧化反应。
这些金属催化剂可以通过提供电子或质子来促进反应。
以铂为例，铂具有良好的电子传导性能，可以促进氢和氧的吸附反应，从而加速氧化还原反应的进行。
2.催化剂：酶酶是生物催化剂，广泛存在于生命体系中。
酶是由蛋白质组成，通过其特定的结构和功能，可以催化生物体内的各种化学反应。
酶的活性通常与其与底物之间的特异性结合有关，通过形成酶-底物复合物，使底物分子发生结构改变，从而加速化学反应速率。
作用机制：酶的作用机制非常多样，常见的有酸碱催化、金属离子催化、共价催化等。
酶的酸碱催化作用是通过提供或吸收质子来改变底物分子的电荷状态，从而降低反应的活化能。
金属离子催化作用是通过提供或接收电子来调节反应过程。
共价催化是指酶与底物之间通过共价键结合形成中间产物，然后再释放出底物。
3.催化剂：固体酸催化剂固体酸催化剂是一类表面具有酸性位点的固体物质，如氧化锆、氧化铝等。
固体酸催化剂通常具有高的热稳定性和机械稳定性，因此在高温和高压条件下有很好的催化活性。
作用机制：固体酸催化剂具有一些酸性位点，如质子酸位点和路易斯酸位点。
通过与底物分子的吸附反应，质子酸位点可以提供氢离子，从而催化酸碱中和等反应。
路易斯酸位点可以通过捕捉或接收电子来调节反应中的电荷分布。
4.催化剂：光催化剂光催化剂是一类能够利用可见光或紫外光能量来促进化学反应的催化剂。
各类催化剂的组成结构及其催化作用规律与催化机理
各类催化剂的组成结构及其催化作用规律与催化机理催化剂是一种能够加速化学反应速率而不发生化学变化的物质。
不同类型的催化剂在组成、结构和催化作用规律及催化机理上存在差异。
1.金属催化剂：金属催化剂主要由一种或多种金属元素组成。
它们的结构可以是单质金属，合金或金属氧化物。
金属催化剂的催化作用规律是活性中心和反应物之间的相互作用。
催化机理有两种类型：双电子传递和继承。
2.酸碱催化剂：酸碱催化剂是通过提供或接受质子（酸）或氢氧根离子（碱）来促进反应的催化剂。
它们的组成可以是无机酸或碱（如氢氟酸和氢氧化钠），也可以是有机酸或碱（如有机酸和胺）。
酸碱催化剂的催化作用规律是在酸碱性环境中，反应物与催化剂之间的反应活性。
3.酶催化剂：酶是一种生物催化剂，是由蛋白质组成的大分子催化剂。
它们的组成是由酶蛋白质和辅助物质（如金属离子和辅酶）组成。
酶催化剂的催化作用规律是酶与底物形成酶底物复合物，并通过改变底物的反应活性、方向和速率来催化反应。
4.氧化剂：氧化剂是一种能够在反应中接受电子的催化剂。
它们的组成可以是金属氧化物（如铬酸和二氧化锰）或有机化合物（如过氧化物和过氧硫酸氢钠）。
氧化剂的催化作用规律是通过在反应中接受电子，使反应底物发生氧化反应。
5.还原剂：还原剂是一种能够在反应中捐赠电子的催化剂。
它们的组成可以是金属（如钠和锌）或有机化合物（如氢化钠和氢气）。
还原剂的催化作用规律是通过在反应中捐赠电子，使反应底物发生还原反应。
催化剂的催化机理是根据不同的催化剂类型而不同的。
例如，金属催化剂通过吸附反应底物并与其发生反应来催化反应。
酸碱催化剂通过给予或接受质子或氢氧根离子来改变反应底物的反应性质。
酶催化剂通过形成酶底物复合物并在酶的活性位点上发生催化反应。
氧化剂通过向底物接受电子来氧化底物，而还原剂则捐赠电子给底物来还原底物。
总之，不同类型的催化剂在组成、结构、催化作用规律和催化机理上存在差异。
了解和掌握不同催化剂的特点和催化机理对于合理设计和选择催化剂，并优化催化反应至关重要。
各种催化剂及其催化作用
酸中心的强度
5、固体酸、碱的催化作用
酸位的性质与催化作用关系
大多数的酸催化反应是在B酸位上进行的，并且催 化活性与B酸位的浓度有良好的关联
烃的骨架异构化、二甲苯的异构化，甲苯和乙苯的歧化， 异丙苯的烷基化以及正己烷的裂化等，单独的L酸位没有 催化活性 常用AlCl3,FeCl3等 r－Al2O3
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。
1、催化剂的分类
固体碱
担载碱：NaOH、KOH载于氧化硅或氧化铝上；碱金属或者碱土金属分散于氧 化硅或氧化铝上；K2CO3、Li2CO3在于氧化硅上等 阴离子交换树脂 焦碳于1173K下热处理，或用NH3、ZnCl2-NH4Cl-CO2活化 金属氧化物：Na2O、K2O、Cs2O、BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、 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 H2SO4、H3PO4、HCl水溶液、醋酸等 NaOH水溶液、KOH水溶液
P－水的物质的量
6、沸石分子筛催化剂
结构单元
一级结构
常见催化剂及催化反应
常见催化剂及催化反应催化剂的作用与分类催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质，通过提供新的反应途径或降低反应的活化能，使化学反应更加迅速进行，同时不参与反应本身。
根据催化剂的物理状态和结构形式，常见的催化剂可分为以下几类：1. 固定相催化剂：通常是以固态物质存在，如金属氧化物、金属纳米颗粒等。
固定相催化剂应用广泛，适用于氧化、水解等反应。
2. 液相催化剂：以液态物质存在，如过渡金属离子、有机催化剂等。
液相催化剂常用于氢化、酯化等反应。
3. 气相催化剂：以气态物质存在，如氢气、氧气等。
气相催化剂主要用于氧化、脱氢等反应。
常见催化反应催化剂：铂1. 氧化反应：铂常用作氧化反应的催化剂，如铂催化CO氧化为CO2。
这种反应广泛应用于汽车尾气净化等领域。
2. 加氢反应：铂在加氢反应中有很高的催化活性。
例如，铂催化氢气与不饱和烃发生加氢反应，将不饱和烃转化为饱和烃。
催化剂：酶1. 消化酶的催化作用：消化过程中，酶在胃和肠道中发挥重要的催化作用，帮助人体消化食物。
例如，胃蛋白酶催化蛋白质的分解。
2. 光合作用中的酶：光合作用是植物中重要的能量来源，其中催化作用主要由酶来完成。
例如，光合作用中的酶催化二氧化碳与水生成葡萄糖和氧气。
催化剂：铁1. 氨氧化反应：铁常用作氨氧化反应的催化剂，将氨氧化为氮气和水。
该反应广泛应用于工业中的硝酸生产过程。
2. Fischer-Tropsch合成：铁催化剂被广泛应用于Fischer-Tropsch合成反应中，将合成气（一氧化碳和氢气的混合物）转化为液体烃燃料。
这是一种重要的化学合成反应。
结论催化剂在化学反应中发挥着重要的作用，加速反应速率，降低活化能，节约能源和原料。
常见的催化剂包括固定相催化剂、液相催化剂和气相催化剂，分别应用于不同类型的化学反应。
在实际应用中，通过选择适合的催化剂，可以提高反应效率，减少不必要的副产物和能源浪费，具有重要的经济和环境意义。
第三章 各类催化剂及其催化作用_酸碱催化剂
中毒法：
脉冲注入能使酸碱中心中毒的物质，并选择以酸碱中心为活性位的 反应为对象，可根据反应活性下降的情况来求出使催化剂活性降为 零时所耗毒物的总量，并折算到酸碱中心总数。
H0 = pKa + lg [:B]a [A:B]
[A:B] : 吸附碱B与电子对受体A形成的络合物AB的浓度
H0越小酸强度越强； H0越大酸强度越弱。
固体酸强度的测定：
指示剂法：
指示剂的颜色取决于 [BH+] 或 [B] 的比例，当其正好等于1 [AB] 时，处于变色临界点。
1. 在某催化剂中加入某指示剂(pKa)，若保持碱型色，说明 [B] > [BH+]，催化剂对该指示剂的转化能力较小，H0 > pKa；若指示剂显酸型色，说明催化剂的转化能力较强， H0 < pKa。 2. 把指示剂按pKa大小排成一个序列，总可以找到一个指示 剂(pKa = α)，它的碱型色不能被催化剂改变，而下一个指 示剂(pKa = β)被催化剂变成了酸型色，那么催化剂H0的取 值范围应该是α< H0 < β 。 100%的H2SO4的H0认为是‒11.9，故认为H0为‒12或更小的酸相当于 100%以上的H2SO4 ，这样的酸称为超强酸。
例如：以HM分子筛为催化剂时的甲苯歧化反应，可选择吡啶作为毒物，利用甲 苯和吡啶的交替注入，观察活性下降情况外延至活性为零时所需吡啶量，即可 求出HM的表面酸量。
典型反应估计法：
选择一些既能被酸催化发生某一反应，又能被碱催化发生另一反应。 从同一物料反应后的选择性来估测催化剂的表面酸碱性。
各类催化剂及其作用机理
在学习了多相催化动力学的基础上，本 章重点介绍各类催化剂的组成、结构及 其催化作用规律与催化机理。主要包括 五大类催化剂：固体酸碱催化剂，分子 筛催化剂，金属催化剂，金属氧化物和 金属硫化物催化剂，以及络合催化剂。 重点掌握各类催化剂的基础知识、基本 概念，典型代表、工业应用及最新进 展。
3.重要的固体酸碱催化剂
碱是的典土典晶型金型型的属的变固氧固体体化 体L。酸物 碱作催中 催为化的 化催剂M剂化。g。剂OAA来、l2lOC说C3la3有，、O多和最Fe种S重Crl不O3要是2同 的系是有γ缺-陷A的l2O尖3和晶η石-结A构l2O。3两最种稳，定二的者是都无
密水堆的砌α体- A，l2OA3l3，+离它子是占O=据离正子八的面六位方的最紧 化2/3，。最各终种都变转型变的为Aαl2O-3A在l21O437。0℃以上熔
6.1 酸碱催化剂
石油炼制和石油化工是催化剂最大的应用领 域，在国民经济中占有重要地位。在石油炼制 和石油化工中，酸催化剂占有重要的地位。烃 类的催化裂化，芳烃和烯烃的烷基化，烯烃和 二烯烃的齐聚、共聚和高聚，烯烃的水合制醇 和醇的催化脱水等反应，都是在酸催化剂的作 用下进行的。工业上用的酸催化剂，多数是固 体。20世纪60年代以来，又发现一些新型的固 体酸催化剂，其中最有影响的是分子筛型催化 剂，其次是硫酸盐型酸性催化剂。
4.均相酸碱催化反应机理和速 率方程
酸碱催化一般经过离子型的中间化合物，即经 过正碳离子或负碳离子进行的。例如
或
如 ， AlCl3(L 酸 ) 作 用 下 的 苯 与 卤 代 烃 的 反 应 （弗-克反应），反应机理是
AlCl3是路易斯酸，接受电子对产生正碳 离子，然后再按下式反应
各类催化剂及催化作用
各类催化剂及催化作用催化剂是一种物质，它能够加速化学反应的速率而不被消耗。
催化剂能够通过改变反应的反应机理、降低反应的激活能、提供新的反应途径等方式来促进反应的进行。
催化剂在许多化学工业生产中起到了重要的作用，它们广泛应用于石化、有机与无机化学、电化学、高分子材料、生物化学等领域。
根据催化剂的性质和使用方式的不同，催化剂可以分为以下几类：1.酸催化剂：酸催化剂是指具有良好的酸性的催化剂。
它们能够提供H+离子来参与化学反应。
酸催化剂广泛应用于有机合成反应中，常见的酸催化剂有硫酸、磺酸、磷酸等。
酸催化剂可以加速酯的酯化反应，醇的缩醛反应等。
酸催化剂在聚合物化学中也有重要的应用。
2.碱催化剂：碱催化剂是指具有良好碱性的催化剂。
它们能够提供OH-离子来参与化学反应。
碱催化剂广泛应用于酯的水解反应、醛的缩醛反应等中。
常见的碱催化剂有氢氧化钠、氢氧化钾等。
3.金属催化剂：金属催化剂是指以金属或金属的化合物为催化剂的一类。
金属催化剂主要应用于氢化反应、氧化反应、加氢、脱氢等。
例如，铂和钯常用作氢化反应的催化剂，铁催化剂常用于醚的制备等。
4.酶催化剂：酶是一种生物催化剂，酶催化剂是指以酶作为催化剂的一类。
酶具有高效率、高选择性、条件温和等特点，因此在生物化学反应中广泛应用。
例如，酶可以催化食物的消化、蛋白质的合成等。
5.触媒催化剂：触媒催化剂是指以触媒作为催化剂的一类。
触媒常用于高分子材料合成和有机合成反应中。
触媒能够通过吸附反应物、改变反应物的电子结构、改变反应物的碰撞效率等方式来促进反应的进行。
常用的触媒催化剂有铂、钯、钌、钌等。
以上仅是催化剂的一些常见分类，催化剂的种类和催化作用不止以上所述。
催化剂在化学反应中起到了重要的作用，通过催化剂能够提高反应速率，降低工艺条件，改善产品品质等。
在现代化学的发展中，研究和开发新型催化剂以及改进已有催化剂的催化性能是一项重要的研究课题。
催化剂的研究和应用对于推动科学技术的发展和提高化工生产的效率具有重要的意义。
工业催化_各类催化剂及其催化作用
由于Ka取决于指示剂的本性，因此当指示剂种类 指定后，H0只与BH+/B的量有关。C BH+/CB大小反 映了酸的转化能力，所以H0也自然地反映了这种 能力，即酸的强度。 H0的范围可借指示剂的颜色 变化求取。 从上两式可以看出，若H0越小，则αH+·γB /γBH+愈 大，CB / CBH+ 也愈大，这表明固体表面给出质子 使B转化为BH+的能力愈大，即酸强度愈强。由此 可见H0大小代表了酸催化剂给出质子能力的强弱， 因此称它为酸强度函数。
复合氧化物
田部浩三假定：在二元氧化物的模型结 构中，负电荷或者正电荷的过剩是产生 酸性的原因。 模型结构可根据下面两个原则来描述： ①当两种氧化物形成复合物时，两种正 电荷元素的配位数维持不变；②主组分 氧化物的负电荷元素(氧)的配位数，对二 元氧化物中所有氧保持相同。
固体酸的强度
固体酸强度是指给出质子的能力（B酸强 度）或者接受电子对的能力（L酸强度）。 对稀溶液中的均相酸碱催化剂，可以用 pH来量度溶液的酸强度。当讨论浓溶液 或固体酸催化剂的酸强度时，要引进一 个新的量度函数H0，并称它为Hammett函 数。
H0的导出与测定
若一固体酸(HA)的表面能吸附一未解离的碱 (B)．并且将它转变为相应的共轭酸(BH＋)，此 转变是固体酸表面的质子传递于吸附碱。以B 代表碱性指示剂，其共扼酸BH＋应有以下解离 平衡。 BH＋ B＋H+ a H+ a B a H 鬃 CB g B 其平衡常数Ka为： K a = = a BH + CBH + ×g BH+ α为活度，C为浓度，γ 为活度系数。
第四章 各类催化剂及其催化作用
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。
工业催化--第五章 各类催化剂的催化作用
– 因为对于不同的酸强度的酸度存在分布，故测量酸 强度的同时就测出了酸量。
– 较常用的方法有：
指示剂法 TPD法 量热法
– 指示剂法又称非水溶液正丁胺法。
3.3 固体碱强度与碱量
– 固体碱的强度，定义为表面吸附的酸转变为共轭碱 的能力，也定义为表面给予吸附酸分子一对电子的 能力。
– 杂化轨道中d原子轨道所占的百分数称为d特性百 分数，用d％表示。
• Ni原子形成金属后，Ni原于有两种杂化方 式，即d2sp3和d3sp2
图中[↑]代表原子电子，[·]代表成键电子
–价键理论用d特性百分数来关联金属催化活性。
金属的d％越大，相应的d能带中电子填充越多，d空穴 就越少。
d％与d空穴是从不同的角度反映金属电子结构的参量， 且是相反的结构表征。
例如，加氢反应，Pt、Pd 等是合适的，尤其是Ni具有较高加氢活性。
如果金属能带的电子全充满时，它就难于成键了。
2.2 价键模型
– 金属的价键理论早期由Pauling提出。
– 该理论认为过渡金属原子杂化轨道相结合，杂化 轨道通常为s、p、d等原子轨道的线性组合，称为 spd或dsp杂化。
2、酸碱的分类
– 按物质形态，可区分为液体酸碱和固体酸碱。
常用的液体酸催化剂有硫酸、盐酸、磷酸和醋酸。 常用的液体碱有氢氧化钠、氢氧化钾水溶液等。
固体酸分类表：
固体碱的分类 表：
3、 固体表面酸碱性能的测定
– 固体表面酸碱性质包括:
酸、碱中心类型 酸、碱强度 酸、碱量
3.1 酸中心类型
3、金属和金属表面的几何构造与催化活性
3.1 金属的晶体结构与催化活性
化学反应中的催化剂种类及作用机理
化学反应中的催化剂种类及作用机理化学反应是指随时间流逝，发生可逆或不可逆的化学转化。
而催化剂则是指一种物质，通过降低反应活化能，加速化学反应的速率，但是催化剂本身并不参与反应。
催化剂在化学工业领域广泛应用，能够降低生产成本，提高生产效率，减少环境污染。
1. 负载型催化剂负载型催化剂是指将催化剂与载体结合在一起使用的催化剂。
载体可以是活性氧化铝、氧化硅、沸石等物质，而催化剂则可以是Ni、Pd、Pt等金属。
负载型催化剂通常在有机合成反应中应用广泛，能够提高反应的选择性和稳定性，在甲醇转化为甲醛的反应中，Pd金属被负载在活性氧化铝上，能够提高反应的产率。
2. 均相催化剂均相催化剂是指在催化反应中催化剂与反应物处于同一相态的催化剂。
均相催化剂通过增加反应物之间的接触，促进反应的进行，能够提高反应的速率。
传统的均相催化剂有碱、酸、盐等，其中盐酸就是常见的酸催化剂。
另外还有一些有机物也能够作为催化剂，如酰胺、铬酚等。
均相催化剂有良好的反应特异性和产品选择性，在炼油、合成材料、药物等方面得到广泛应用。
3. 生物催化剂生物催化剂是一种催化剂，它能够通过各种酶的作用，加速化学反应的进行。
生物催化剂具有较高的效率、选择性和示踪性，能够在水性体系中应用，对环境污染的影响也较小。
生物催化剂的应用范围广泛，有机合成、食品加工、制药等方面都有应用。
比较经典的一个例子便是酶催化的乳酸发酵过程，若用普通的化学手段来进行反应，制备乳酸的产率和选择性都会受到重大影响。
催化剂的作用机理能够应用于反应动力学和反应热学领域，对理解化学反应的机制具有重要意义。
无论是负载型、均相或是生物催化剂，都能够通过图像技术、分子模拟等实验来解释其机理。
催化反应的研究也正是化学学科发展的重要基础，这也使得化学学科在实际应用中的优越性愈加彰显。
各类催化剂及其催化作用
各类催化剂及其催化作用催化剂是能够加速化学反应速率和控制反应选择性的物质。
催化剂可以参与反应过程，并在反应后恢复其初始状态，因此能够循环使用。
现在我们来介绍一些常见的催化剂及其催化作用。
1.酸催化剂：酸催化剂能够提供质子，使反应发生在酸性条件下。
常见的酸催化剂包括硫酸、磷酸、硼酸等。
酸催化作用广泛应用于酸碱中和、酯化反应、糖类转化、脱水反应等。
2.碱催化剂：碱催化剂可以提供氢氧根离子，使反应发生在碱性条件下。
常见的碱催化剂包括氢氧化钠、氢氧化钾等。
碱催化作用常用于酯水解、羟酰胺反应等。
3.高温催化剂：高温催化剂常用于高温下的化学反应。
它们能够降低反应的活化能，并提高反应速率。
常见的高温催化剂有铂、铑、铱等稀贵金属。
高温催化作用广泛应用于汽车尾气净化、甲烷重整反应等。
4.金属催化剂：金属催化剂常用于氢化、氧化、加氢、加氧、加氨等反应。
常见的金属催化剂有铂、钯、铑、铱等。
金属催化剂在有机合成中具有广泛的应用，如选择性加氢、还原、还原偶联等反应。
5.酶催化剂：酶是一种具有催化作用的生物大分子。
由于酶拥有立体特异性和高催化效率，所以在生物体内参与了许多生物转化反应，并具有重要的应用价值。
酶可以催化多种反应，例如葡萄糖氧化、脱氢酶反应等。
6.基团转移催化剂：基团转移催化剂能够在不改变催化剂本身的数量的情况下，实现催化反应中基团的转移。
常见的基团转移催化剂有高锰酸钾、过氧化氢等。
基团转移催化剂广泛应用于有机合成中的酮缩、氧化反应以及有机波斯反应等。
以上只是催化剂中的一些典型例子，实际上催化剂种类繁多，根据不同的化学反应还有其他类型的催化剂。
催化剂通过改变反应的路径和降低反应的活化能来加速化学反应速率，具有广泛的应用前景。
在工业、农业和生物医药等领域，催化剂都发挥着重要的作用。
催化剂及其作用机理
催化剂及其作用机理催化剂是指在化学反应中，以其独特的结构和活性中心能够降低反应的活化能，从而加快反应速率，且在反应结束后能够恢复原状的物质。
催化剂广泛应用于化学工业、环保领域以及生物体内的酶催化反应等。
本文将就催化剂的种类和作用机理进行详细探讨。
催化剂的种类非常多样，可以分为以下几类：1.金属催化剂：如铂、钯、铑等，常用于催化氧化反应和加氢反应等。
2.氧化物催化剂：如二氧化锰、二氧化铜等，常用于氧化反应和燃烧反应等。
3.碱催化剂：如氢氧化钠、氧化钾等，常用于酸碱中和反应和酯化反应等。
4.酶催化剂：如蛋白酶、核酸酶等，常用于生物体内的各种代谢反应。
催化剂的作用机理主要有以下几种：1.吸附理论：催化剂通过与反应物吸附形成化学键，降低反应物的活化能。
吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是指催化剂表面与反应物之间通过范德华力吸引形成吸附态，而化学吸附则是催化剂表面与反应物之间发生共价键形成吸附态。
催化剂表面的活性位点能够提供反应物吸附所需的活化能。
2.反应势能面理论：即通过改变反应物在势能面上的路径，使得反应发生的路径更为稳定，从而降低反应的活化能。
催化剂通过与反应物发生相互作用，改变其在势能面上的能垒，形成新的反应路径，使得反应更易进行。
3.过渡态金属活性中心理论：催化剂中的活性位点（如金属中心）能够吸附反应物并形成过渡态，从而加速反应。
活性中心常表现为金属离子或金属簇等形式。
在吸附反应物后，活性中心能够形成与反应物更稳定的中间体，从而降低反应的活化能。
活性中心的形成需要充分调整催化剂的结构和组成。
催化剂的作用过程可用以下步骤概括：1.吸附：反应物与催化剂表面发生物理吸附或化学吸附，吸附过程需要消耗一定的能量。
2.活化：在催化剂表面，反应物发生解离、电子转移或分子重排等过程，形成稳定的中间体，催化剂为此步骤提供必要的活化能。
3.反应：中间体在催化剂表面发生进一步的反应，形成产物。
4.解吸：产物从催化剂表面解吸，使用产物为催化剂提供新的活性位点。
各类催化剂及其催化作用
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常见固体酸碱催化剂酸碱中心形成
1、浸渍法可以得到B酸位 2、卤化物可以提供L酸位 3、离子交换树脂可以提供B酸碱 4、单氧化物酸碱中心形成 主要是由于在形成氧化物过程中由
于失水作用面在表面形成
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固体酸的强度和酸量
➢ 酸强度是指给出质子的能力（B酸强度） 或接受电子对的能力（L酸强度）用函数 H0表示H+
[HA] + [B]a
[A-]s+[BH+]a
➢ H0=Pka+㏒[B]a/[BH+]a
➢ 测试方法：正丁胺指示剂滴定法测是总 酸度和酸强度
➢ 气态碱吸附脱附法（NH3，吡啶 等）--程 序升温脱附法（TPD）脱附温度越高酸强
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Al2O3表面的脱水过程
OH-
OH-
OH-
OH-
OH-
O2 -
O2 -
O2 -
O2 -
O2 -
O2 -OLeabharlann -O2 -O2 -
O2 -
O2 -
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表面动力学方程
前题
1、要有一个吸附机理模型
2、知道催化反应的机理
3、反应的控制步骤处理
4、反应速率拟稳态处理
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工业催化原理
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4、 八十年代——AlPO4磷酸铝分子筛 第三代新型分子筛 在原有的Si、Al分子筛基础上又引入P元素
已超过二百种骨架，二十四种不同结构（已鉴定出） 性能特点：
①为强吸水性，超过碳氢化合物 ②做载体 ③与加氢组分一起使用，有利于重质油的深加工
2、六十年代 —— 人工合成工业催化剂 Y型分子筛：
人工合成沸石分子筛 主要应用领域：
催化裂化、加氢裂化、催化重整、芳烃及烷烃 异构化、烷基化过程、歧化过程等
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3、七十年代——工艺路线、产品质量改进 ZSM—5型高硅分子筛 ～ 防结焦
Si/Al 高50以上，为交叉通道，使Cat更具有选择 性及催化活性更强，抗毒化及产品选择更有利，提高 反应速率。（改变工艺路线，采用一步合成等过程） 例：甲苯乙烯烷基化生产对甲乙苯的反应。
➢ 八面沸石笼 ① 空腔 4个十二元环，
4个六元环，18个四元环 组成的十六面体 ② 是构成X-型和Y-型分子筛 的主要空穴 ③ 空腔体积 850Å3，平均笼直径 12.5Å，八面沸石笼最大孔径为 十二元环直径7.4 ～9Å
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5、九十年代以来 ➢ AlPO4系列的开发及应用领域的研究 ➢ 现有分子筛催化剂进一步改性 ➢ 抗中毒、择型、抗磨损、防结焦、耐高温 ➢ 引入更多金属助剂，使其使用性能更广 ➢ 改进Cat，使其在石化行业有更高的选择性、活性 ➢ 开辟新的使用领域等
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A型、X型、M型、ZK-5型等 ➢ 离子交换，冠原型号所交换的离子元素
CaA、HY、NH4Y 等
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➢ 化学组成标明交换度
Na12Al12Si12O48 27 H2O Ca4Na8Al12Si12O48 27 H2O A型分子筛中，33%Na被Ca交换
➢ 在型号前冠以分子筛孔径大小。
六个四元环组成 ② 可组成八面沸石、
菱沸石、 毛沸石…
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➢八角柱笼 ① 二个八元环，
八个四元环 ② 组成方碱沸石
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➢β笼（又称削角八面体）
① 8个六元环，6个四元环，
组成的十四面体
② 可构成A型、X型、Y型沸石
➢ γ笼
③ 笼腔直径6.6Å，有效体积160Å3
① 3个八元环，2个六元环， 9个
Me x/n [ (AlO2)x(SiO2)y ] zH2O Me — 金属阳离子 n — 金属阳离子价数 x — 铝氧四面体的数目 y — 硅氧四面体的数目 z — 水合水分子数
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常见形式 A型、X型、Y型、M型、ZSM-5型等 命名： ➢ 研究者发明所用符号
4A Na12AL12Si12O4627H2O 5A 70% Na 被Ca交换
孔径4Å 孔径5Å
3A 66% Na 被 K 交换
孔径6Å
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➢ 相应天然沸石矿物名称 丝光沸石分子筛 方沸石分子筛
➢ Si、Al 被其它原子取代，前加取代原子元素符 号和连字符 P ～L P 取代L 型分子筛中部分 Si K22[（AlO2）34（SiO2）25(PO2)13] 42H2O
的位置决定
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3、 沸石存在形式 喷出岩、沉积岩、变质岩、热液矿床、近代温
泉沉积中 目前发现四十多种
4、 分类 立体笼形结构：菱沸石、方沸石 层状结构：片沸石 纤维状结构：钠 沸石、钙沸石
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5、 分子筛 人工合成结晶的硅铝酸盐。已有一百多种 化学组成
Å
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六元环 2.8
八元环 4.5
十元环 十二元环
6.3
8.0
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3、笼结构
二级结构通过氧桥相互联结，形成三维空 间的多面体结构 ➢ 四方体笼
① 六个四元环组成 ② 是组成A型和P型
沸石的骨架
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➢六方棱柱笼 ① 二个六元环；
四元环组成的十四面体结构
② 可组成钠菱沸石、菱钾沸石
③笼腔直径 6.0×7.4 Å
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α笼
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① 空腔6个八元环，8个 六元环和12个四元环 组成的十六面体 是A型的主晶穴
② 空腔体积 760 Å3 笼的平均直径11.4Å 最大孔口八元环 4.2Å
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分 子 筛 催 化 剂
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概述及发展史
沸石分子筛 的结构特点
分子筛择型 催化性质
沸石分子筛 的酸、碱催 化性能及其 调变
新型磷酸铝分子筛 ALPO4
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第三节 分子筛催化剂
一、概述
1、 沸石： 自然界存在的类似粘土的硅铝酸盐
2、 沸石特点： ➢ 白色（通常）[ 浅粉、棕红、黄色或绿色 ] ➢ 玻璃光泽，粒度0.5～10µm ➢ 硬度：中等（3 ～ 5） [ 金刚石？10 ] ➢ 比重：2.0～2.5
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二、发展史
1、 五十年代 —— 沸石 干燥剂：
产品含水可脱到 1—10 ppm 净化剂：
天然气、裂解气脱H2S、CO2比硅胶净化度提高10 ～20倍 烃类分离：
脱蜡： 异构烷中分离正构烷 从混合二甲苯中分离对二甲苯 （KBaY分子筛）
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三、分子筛沸石的结构特点
结构单元逐级堆砌而成 1、基本结构单元 以Si 和Al原子为中心的正四面体SiO4，AlO4
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2、 环结构 硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥形成
多元环最大直径
环的元数 四元环 五元环
最大直径
1.15
1.6
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➢ 由SiO4和AlO4四面体骨架共享氧原子而交联， 形成多孔骨架结构
➢ 孔道大小均一 ➢ 无毒无味，无腐蚀性 ➢ 不溶于水和有机溶剂，溶于强酸、强碱 ➢ 沸石中由于AlO4四面体有过剩负电荷，由Na+ 、
K+、Ca2+、有效直径由这些正离子大小和所在晶格