催化原理

1. 什么是催化剂？什么是催化作用？催化作用的特征有哪些？工业生产中可逆反应为什么往往选择不同的催化剂？

催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度，却不改变化学反应热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质。催化剂是一种可以改变一个化学反应速度的物质。

催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。

催化作用具有如下几个特征：

1、催化剂只能加速热力学上可以进行的反应

2、催化剂只能加速化学反应趋于平衡，而不能改变平衡的位置（平衡常数）

3、催化剂对反应具有选择性

4、催化剂的使用寿命有限

实际工业上催化正、逆反应时为什么往往选用不同的催化剂？

第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别，这对催化剂可能会产生一些影响。二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变化。

催化剂是如何加快化学反应速度的

催化作用是通过加入催化剂，实现低活化能的化学反应途径，从而加速化学反应。（催化剂通过改变反应历程，使化学反应所需克服的能垒数值大大减少。

结果：催化反应相对常规化学反应发生的条件温和得多，甚至常规条件下难以发生的反应，在催化剂参与下实现了工业化生产。）

3. 催化剂的活性、选择性的含义是什么？

活性是指催化剂对反应进程影响的程度，具体是指反应速率增加的程度，催化剂的活性是判断其性能好坏的重要标志。当反应物在一定的反应条件下可以按照热力学上几个可能的方向进行反应时，使用特定的催化剂就可以对其中一个方向产生强烈的加速作用。这种专门对某一化学反应起加速作用的能力称为催化剂的选择性

选择性是指催化反应所消耗的原料中转化成目的产物的分率。

5. 催化剂为什么具有寿命？影响催化剂的寿命的因素有哪些？

寿命指在工业条件下，催化剂的活性能够达到装置生产能力和原料消耗定额的允许使用时间；或满足上述条件经再生使用的累计时间，称为总寿命。

指催化剂的有效使用期限，是催化剂的重要性质之一。催化剂在使用过程中，效率会逐渐下降，影响催化过程的进行。例如因催化活性或催化剂选择性下降，以及因催化剂粉碎而引起床层压力降增加等，均导致生产过程的经济效益降低，甚至无法正常运行。

①化学稳定性:化学组成与化学状态稳定，活性组分与助剂不反应与流失

②②耐热稳定性不烧结、微晶长大和晶相变化；

③③抗毒稳定性抗吸附活性毒物失活；

④④机械稳定性:抗磨损率、压碎强度、抗热冲击。决定催化剂使用过程中的破碎和磨损

4. 催化反应的活化能是否与非催化反应的相同？为什么？

（1）不改变反应热：因为催化剂只是通过改变化学反应历程来降低活化能，而化学反应前后的能量变化是由反应物和产物在反应体系中的相对能位来决定，反应物与产物的结构确定了它们的相对能位，即不改反应物与生成物的摩尔焓，因此加入催化剂不改变反应热。

（2）降低活化能：因为催化剂通过改变反应历程，使反应沿着一条更容易进行的途径进行。对于同一个化学反应来说，加入催化剂可降低反应活化能提高反应速率，理论上不改变反应热！如图所示：加入催化剂可降低Ea，使得活化分子数增加，反应速率加快；催化剂只是通过改变化学反应历程来降低活化能，而化学反应前后的能量变化是由反应物和产物在反应

体系中的相对能位来决定，反应物与产物的结

构确定了它们的相对能位，即不改变反应物与生成物的摩尔焓，因此加入催化剂不改变摩尔反应焓变，即不改变产物与反应物之间的能量差，即△H.

6. 均相催化有什么特点？

均相催化反应是催化剂与反应物同处于一均匀物相中的催化作用。

均相催化过程有以下特点：

（1）反应条件温和，有利于节能。

（2）反应性能单一，具有特定的选择性。

（3）作用机理研究清楚明晰，催化剂的活性和选择性易于精心调配和设计。

（4）催化剂的稳定性差，且不易与产物分离。

7. 固体催化剂一般由哪几部分组成？载体在催化剂中的作用是什么？结构型助剂与电子型助剂有何区别？

工业上所用的固体催化剂往往不是单一物质，而是由多种物质组成。按每种物质所起的作用可分为主催化剂、助催化剂和载体。

载体是主催化剂的支持体，负载活性组分的骨架。一般为没有活性的惰性物质，在催化剂中含量较高，有时也可担当共催化剂和助催化剂的角色。分散作用,助催化作用,传热和稀释作用,支撑作用,稳定化作用

主催化剂、共催化剂、助催化剂、载体。主催化剂是催化剂中产生活性的部分，没有它催化剂就不能产生催化作用。共催化剂：和祝催化剂同时起催化作用的物质，二者缺一不可。助剂：本身没有活性或活性很低，少量助剂加到催化剂中，与活性组分产生作用，从而显著改善催化剂的活性和选择性等。载体：载体主要对催化活性组分起机械承载作用，并增加有效催化反应表面、提供适宜的孔结构；提高催化剂的热稳定性和抗毒能力；减少催化剂用量，降低成本。

助催化剂分为：结构型助催化剂、电子型、扩散型、毒化型助催化剂。结构型助催化剂通常不影响活性组分的本性，而电子型助催化剂能改变催化剂活性组分的本性，包括结构和化学特性。

8. 一个好的工业催化剂应满足哪些条件？

①适宜的活性、高选择性和长寿命。

②操作条件的影响，适宜的配套装置和工艺流程。

③催化剂的价格低廉

工业生产的角度考虑强调的是原料和能源的充分利用，据此可以认为催化剂功能的相对重要性是：选择性>稳定性>活性

9. 何为转化率、收率和选择性？如何计算转化率、收率和选择性？

转化率：已经转化的物料量占总进料量的比例大小

产率：生成的目的产物量占反应物初始总量的比例

选择性：目的产物占总产物的比例（m%, mol%）

选择性是指催化反应所消耗的原料中转化成目的产物的分率。

x(转化率)=(已转化的指定反应物的量/ 指定反应物的进料量)×100%

s (选择性)= (转化成目的产物的指定反应物量/ 已转化的指定反应物的量) ×100%

Y(产率)= (转化成目的产物的指定反应物量/ 指定反应物的进料量)×100%

Y=xs

1. 朗格谬尔、BET吸附等温式的假设及用途是什么？

朗格缪尔吸附模型假定条件为：

①吸附是单分子层的，即一个吸附位置只吸附一个分子；

②被吸附分子之间没有相互作用力,吸、脱附活化能与表面覆盖率无关;

③吸附剂表面是均匀的；

上述假定条件下的吸附称为理想吸附。

朗格缪尔方程属于I型等温线。适用于一些微孔物质，如某些活性炭、硅胶、沸石分子筛等，平台部分对应的是吸附剂的微孔完全被凝聚液充满，langmuir吸附等温线也可以描述可逆的化学吸附过程。如用活性炭吸附N2 ，Ar，CH4等气体

BET等温式是布鲁诺（Brunaure）、埃麦特（Emmett）和泰勒（Teller）在Langmuir吸附理论基础上发展的，主要基于两点假定：

①固体表面是均匀的，自由表面对所有分子的吸附机会相等，分子的吸附、脱附不受其他分子存在的影响；

②固体表面与气体分子的作用力为范德华力，因此在第一吸附层上还可以进行多层吸附。BET方程属于Ⅱ型等温线。BET方程应用范围较广，但不适用于活性炭的吸附。依据BET方程可测定固体吸附剂、催化剂的表面积。

2. 何为控制步骤？研究催化反应控制步骤对选择和改进催化剂有何用途？如何消除内、外扩散影响？

多步反应中，若其中某一步骤的阻力远较其他步骤为大，则该步骤为控制步骤

外扩散的阻力：气固（或液固）静止的边界层。消除方法：提高空速

内扩散阻力：催化剂颗粒孔隙内径和长度。消除方法：减小催化剂颗粒大小，增大催化剂孔隙直径.

内扩散消除实验的做法是：在一定催化剂装填量（质量或体积）条件下，改变催化剂颗粒粒径，通过对比不同粒径下的催化剂活性变化来确定内扩散消除与否，即随着粒径减小，活性不再变化，那么活性不再变化所对应的粒径就可以认为没有了内扩散的影响，或者说内扩散效应可以忽略。

3. 表面催化反应包括哪几个步骤？

反应物的吸附、化学反应、产物的脱附。

（1）反应物由气相主体扩散到催化剂外表面

（2）反应物由催化剂外表面扩散到催化剂内表面

（3）反应物的化学吸附

（4）被吸附的反应物发生化学反应生成产物

（5）产物的解吸

（6）产物由催化剂内表面扩散到催化剂外表面

（7）产物由催化剂外表面扩散到气相主体

其中（1）、（7）步为外扩散，（2）、（6）步为内扩散，（3）、（4）、（5）步为化学动力学过程