金属催化剂及其催化过程

（二）族与原子的电子组态

主族：周期表中共有7个主族，IA~VIIA。内层轨道全充满，最后1个电子 填入 ns 或 np 亚层上，价层电子的总数等于族数，即等于 ns 和 np 两个亚层 上电子数目的总和。例如元素13Al，核外电子排布是1s22s22p63s23p1，电子 最后填入3p亚层，价层电子构型为3s23p1，价层电子数为3，故为IIIA族。 零族元素(或VIIIA）是稀有气体，其最外层也已填满，呈稳定结构。 副族元素：周期表中共有 7 个副族， IB~VIIB 。全是金属元素，最后一个 电子填入(n-1)d或(n-2)f亚层上，也称过渡元素(transition element),其中镧 系和锕系称为内过渡元素 (inner transition element)。IIIB~VIIB族元素， 价电子总数等于 (n-1)d和ns两个亚层电子数目的总和，也等于其族数。例 如元素25Mn的填充次序是1s22s22p63s23p63d54s2，价层电子构型是3d54s2， 价层电子数为7，所以是VIIB族。IB和IIB族由于其(n-1)d亚层已经填满， 所以最外层ns亚层上电子数等于其族数。 VIII族：处于周期表中间，共有三个纵列，最后1个电子填在(n-1)d亚层上， 也属于过渡元素。但其外层电子构型是(n-1)d6~10ns0,1,2,电子总数是8～10。 此族多数元素在化学反应中的价数并不等于族数。


（三）元素在周期表中的分区
根据价层电子组态的特征，可将周期表中的元素分为 5个区，这实际上是 把价层电子构型相似的元素集中在一个区
元素在周期表中的分区示意图
s区元素：最后 1个电子填充在 ns轨道上，价层电子的构型是ns1或ns2，位于周期表的 左侧，包括IA和IIA族，它们都是活泼金属，容易失去电子形成+1 或+2价离子。 p区元素：最后1个电子填充在np轨道上，价层电子构型是ns2np1~6，位于长周期表右 侧，包括IIIA~VIIA族元素。大部分为非金属。0族稀有气体也属于p区。s区和p区的
对于Pd和IB族(Cu、Ag、Au)元素d轨道是填满的，但相邻的S
轨道上没有填满电子。在外界条件影响下，如升高温度时d电 子仍可跃辽到S轨道上，从而形成d空穴，产生化学吸附。
ds区元素：价层电子构型是(n-1)d10ns1~2，即次外层d轨道是充满的，最外层轨道上有 1~2个电子。它们既不同于s区，也不同于d区，故称为ds区，它包括IB和IIB族，处于 周期表d区和p区之间。它们都是金属，也属过渡元素。 f 区元素：最后 1 个电子填充在 f 轨道上，价层电子构型是 (n-2)f0~14ns2 或 (n-2)f0~14(n1)d0~2ns2，它包括镧系和锕系元素(各有14种元素)，由于本区包括的元素较多，故常 将其列于周期表之下。它们的最外层电子数目相同，次外层电子数目也大部分相同，
其中最外层电子的主量子数n = 4，所以它属于第4周期的元 素。最外层电子和次外层 d电子总数为 7，所以它位于 VIIB 族。3d电子未充满，应属于d区元素。

过渡金属，特别是VIII族金属应用较广。过渡金属的化
学性质与原子的 d轨道紧密联系着。同时金属的催化作 用与其晶体结构、取向、颗粒大小、分散度也密切相关。

金属催化剂是催化剂中的一大类型主要用于：

加氢反应 脱氢反应 氧化反应
金属催化剂的类型

块状金属催化剂，如电解银、熔铁、铂网等催化 剂；

负载型金属催化剂，如Ni/Al2O3加氢催化剂；

合金催化剂是指活性组分是二种或两种以上金属
原子组成，如Ni-Cu合金加氢催化剂．LaNi5加氢
催化剂等。
共同特点是：最后1个电子都排布在最外层，最外层电子的总数等于该元素的族数。s
区和p区就是按族划分的周期表中的主族。 d区元素：它们的价层电子构型是 (n-1)d1~9ns1~2，最后1个电子基本都是填充在倒数的 第二层(n-1)层d轨道上的元素，位于长周期的中部。这些元素都是金属，常有可变化
的氧化值，称为过渡元素。它包括IIIB~VIII元素。
只有外数第三层的电子数目不同，所以每个系内各元素的化学性质极为相似，都为
金属，将它们称为内过渡元素。
实例分析：
已知某元素的原子序数为 25 ，试写出该元素原子的电子排 布式，并指出该元素在周期表中所属周期、族和区。
解：该元素的原子应有 25 个电子。根据电子填充顺序，它
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的电子排布式应为 1s22s22p63s23p63d54s2或写成 [Ar]3d54s2。
一、金属催化剂的电子因素对于其催化性能的影响
金属的电子组态与气体吸附能力之间的关系
过渡金属元素的特点是最外层有 1~2个S电子．次外层有 1~10
个d 电子。Pd 的最外层无S电子，除Pd外这些元素的最外层 或次外层没有填满电子、特别是次外层d电子层没有填满，即 都有d带空穴，因此能与被吸附的气体分子形成化学吸附键， 生成表面中间物种，使之具有催化性能。
背景知识：元素周期表
(一) 周期与能级关系
元素周期表有7行，即7个周期。从各元素原子的电子层结构可知，当主 量子数n依次增加时，n每增加1个数值就增加一个新的电子层，周期表 上就增加一个周期。因此，元素在周期表中所处的周期数就等于它的最 外电子层数 n。而每一个周期所含原子数目与对应能级组最多能容纳的 电子数目一致。 第4周期过渡元素 (10个 ) ：21Sc(钪)~30Zn(锌)，新增电子均填充于 3d 轨道。 第5周期过渡元素(10个)：39Y(钇)~48Cd(镉)，新增电子均填充于4d轨 道。 第 6 周期过渡元素 (24个 ) ： 57La( 镧 )~70Yb( 镱 ) ，新增电子均填充于 4f 轨道，称为镧系元素(14个)。71Lu(镥)~80Hg(汞)，新增加电子均填充 于5 d轨道。 第7周期(不完全周期)过渡元素(25)：89Ac(锕)~102No(锘)，新增电子 均填充于f轨道，称为锕系元素(14个)。103Lr(铹)~112Uub(未有中文名 ) 。预计可以到118号。