催化原理复习提纲 1~4章

第一章：绪论

1、催化的重要性（理解，能举例，开放性题目）

答：催化有三重意思：催化科学、催化技术和催化作用。

催化科学：是研究催化作用的原理；研究催化剂①为何能使反应的分子活化，②怎样活化③以及活化后的分子的性能和行为；其重要性需由催化技术的广泛应用来说明，体现在提供理论指导。催化科学①通过开发新的催化工程革新化学工业，提高经济效益和产品的竞争力，②通过学科渗透为发展新型材料（敏感材料、光电转换材料、储氢材料）和利用新能源做出贡献，③其跨学科性对生命科学有重要潜在意义，④将获得的对于活性中心的认识推广到分子学科的其他领域，通过对不同领域的分子作用机理的对比，获得新发现为本身的新应用创造条件。

催化技术：是催化作用原理的具体应用；90％以上的化学工业涉及催化技术，60%以上的产品与催化技术有关，在发达国家由催化技术直接和间接的贡献达到20-30％GDP；催化技术是现代化学工业的支柱和核心技术，而催化材料是催化技术的灵魂。催化剂应用领域如下：

（1）合成氨及合成甲醇: 产量最大的合成化学品

（合成氨技术为一战提供火药和粮食）

（2）石油炼制（煤、天然气）与合成燃料：运输量和消费量最大的化学品（二战德国:依赖于煤油的大生产）

（3）无机化学工业：酸、碱、盐，硫酸和硝酸的生产

（4）基本有机合成工业：醇、醛（酮）、酸、酯、腈

（5）三大合成材料：合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维

（Ziegler-Natta、后过渡金属、茂金属催化剂）（6）精细化工产品：品种最多、平均单价高的化学品

（7）生物化工：最有潜力和发展前景的化工领域

（8）环境化学：与人类生存密切相关的领域，尾气净化

催化作用：其理论对催化科学的形成奠定了基础，特别是化学热力学及化学动力学的理论。如反应中间物种的形成与转化、晶格缺陷、表面活性中心、吸附现象以及诸多的实验研究方法对于探索催化作用的本质，改进原有催化剂和研究新的催化过程有推动作用。

总而言之：催化是中心科学。

催化科学的特点：①发展迅速

②综合性强（化学热力学、化学动力学、固体物理、

表面化学、结构化学、量子化学等）

③实践性强

2、基本概念：

催化剂：某种用量较少且本身不消耗的能加速一个热力学上允许的化学反应的物质。参与反应的催化剂能经过一个化学循环后再生出来，提供

了把反应物和产物连接起来的一系列基元步骤，新途径高速度。

催化作用：催化剂对反应施加的作用，即催化剂活性中心对反应分子的激发和活化，使后者以很高的反应性能进行反应。

化学反应体系实现的2个基本要素：（二者缺一不可）

①热力学可行性：反应能否进行、

进行的程度热力学平衡：化学反应的极限，反应的方向

②动力学可能性：反应进行的速度、何时达到平衡

催化作用的体现：（1）只加速热力学上可行的反应

（2）催化剂不影响平衡常数

（3）正反应与逆反应速率以相同倍数增加

催化作用的实现：（1）改变反应历程（2）降低了反应活化能

催化剂作用：降低反应温度，提高反应速率

3、催化作用的分类：以物相可分为均相催化作用和多相催化作用：

①均相催化：指催化剂与反应物处于相同的物相。近来多指溶液中有机金属化

学化合物催化剂的催化作用。

②多相催化：指催化剂与反应物处于不同物相。化学工业以多相催化居多。

4、催化剂的重要性质：评价催化剂的四个最重要的性质（指标）：

（1）活性，Activity，高

（2）选择性，Selectivity，高

（3）寿命，Lifetime，长

（4）价格，Cost，低

（1）活性：活性高低表示催化剂对反应加速的强弱，表示催化剂活性的方法很多，主要有以下6种：P6

①转换频率，TOF，turnover frequency/ s-1 :

在给定反应条件及一定反应程度下，单位时间内每个活性位上发生的总包反应次数。这是催化活性的本质表示，非常科学。但由于催化活性位的组成、结构和数量难以确定，实际上难以实现，只限于理论研究。

转换频率(TOF)：酶>1000 s-1；合成催化剂0.01-100 s-1

②反应速率：反应速率表示反应的快慢，不同场合使用不同速率表示法。

在多数情况下，以反应物消失的速率或以产物生成的速率表示反应的快慢。

其中：Q为反应空间

的定义里，负号保证速

在v

反

率的数值为正。

③速率常数:要求温度相同，在不同催化剂上反应，仅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。

④转化率:这也是常用的比较催化剂活性的参量。

转化率定义为: x=反应物转化量/引入体系的反应物总量*100%

在用转化速率比较活性时:a要求反应温度，压力、原料气浓度和接触时间（停

留时间）相同。 b.若为一级反应，由于转化率与

反应物浓度无关，则不要求原料气浓度相同的条件。

⑤活化能:一般说，一个反应在某催化剂上进行时活化能高，则表示该催化剂的

活性低;反之，活化能低时，则表明催化剂的活性高。通常都是用总包反应表观活化能作比较。

⑥达到某一转化率所需的最低反应温度: 最低反应温度数值大的，表明催化剂

的活性低，反之亦然。

活性位，Active site ：催化剂中真正起催化作用的结构或位置。

如：质子，配位络合物，表面原子簇（cluster)，

蛋白质中的胶束囊（supermolecular pocket)

固体催化剂：表面配位不饱和的原子或原子簇

（2）催化剂的选择性

①定义：某些反应在热力学上可以沿几个途径进行而

得到不同的产物，例如:

反应沿什么途径，与a催化剂的种类性质；b、反应条件有关。

反应物沿某一途径进行的程度，与沿其余途径进行反应程度的比较，

即为催化剂对某反应的选择性。

②表示方法：a.速率常数之比

其中k1和k2分别代表两个反应途径的速率

常数。（前提：两种途径有相同的速率表达式）

b.反应物转化为目的产物的量占反应物总转化量的比例。

催化剂对反应I的选

择性Sel1应是：

c.工业上有时用目的产物产率表示：

单吨消耗：生产每吨目的产物所消耗的主

要原料量（吨）来表示选择性。

（3）催化剂的寿命：P6

（lifetime）－催化剂的最终可使用时间（h, 月，年）（包括单程寿命和总寿命）。寿命曲线：催化剂活性随使用时间的变化曲线。

①成熟期—活化、预处理

②稳定期

③衰老期

（4）价格（cost）：制造成本＋利润＋技术服务费。

总结：工业催化剂选择的考虑：选择性> 寿命> 活性> 价格

第二章：吸附作用

基本概念：

①当气体与清洁的固体表面接触时，在固体表面上气体的浓度高于气相．这种

现象称为吸附现象。