催化剂与催化作用试题 - 副本

名词解释（10~15分，4~6题）填空（10~15分，5~10题）简要回答问题（45~55分，6~8题）论述题（25~35，2~3题）
第1、2章复习思考题
1、催化剂是如何定义的？
催化剂是一种能够改变化学反应速度而不能改变反应的热力学平衡位置，且自身不被明显消耗的物质。

2、催化剂在工业上的作用功能或者效果有哪些？
1）使得原来难以在工业上实现的过程得以实现。

2）由过去常常使用的一种原料，可以改变为多种原料。

3）原来无法生产的过程，可以实现生产。

4）原来需要多步完成的，变为一步完成。

5）由原来产品质量低，能耗大，变为生产成本低，质量高
6）由原来转化率低，副产物多，污染严重，变为转化率高，产物单一，污染减少
3、载体具有哪些功能和作用？8
①分散作用，增大表面积，分散活性组分；②稳定化作用，防止活性组分熔化或者再结晶；③支撑作用，使催化剂具备一定机械强度，不易破损；④传热和稀释作用，能及时移走热量，提高热稳定性；
⑤助催化作用，某些载体能对活性组分发生诱导作用，协助活性组分发生催化作用。

4、代表催化剂性能的重要指标是什么？
催化剂的反应性能是评价催化剂好坏的主要指标，它主要包括催化剂的活性、选择性和稳定性。

（1）催化剂的活性：指催化剂能加快化学反应的反应速度的程度
（2）催化剂的选择性：使反应向生成某一特定产物的方向进行。

（3）催化剂的稳定性：是指在使用条件下，催化剂具有稳定活性的周期
5、多相催化反应的过程步骤可分为哪几步？实质上可分为几步？
（1）外扩散—内扩散—化学吸附—表面反应—脱附—内扩散—外扩散
（2）物理过程—化学过程—物理过程
6、吸附是如何定义的？
气体与固体表面接触时，固体表面上气体的浓度高于气相主体浓度的现象。

7、物理吸附与化学吸附的本质不同是什么？
本质：二者不同在于其作用力不同，前者为范德华力，后者为化学键力，因此吸附形成的吸附物种也不同，而且吸附过程也不同等诸多不同。

不同的表现形式为：（后面）
8、为何说Langmuir吸附为理想吸附？基本假设是什么？
模型假设：①吸附表面均匀，各吸附中心能量相同；②吸附分子间无相互作用；③单分子层吸附，吸附分子与吸附中心碰撞进行吸附，一个分子只占据一个吸附中心；④在一定条件下，吸附与脱附可建立动态平衡。

9、催化剂的比表面测定有哪些实验方法？
（1）BET法测比表面积
1）测定原理和计算方法
依据BET提出的多层吸附理论以及BET吸附等温曲线进行测定和计算的。

利用BET方程进行作图，采用试验采集数据并利用图解法进行计算。

2）实验方法
测定表面积的实验方法通常有，低温氮吸附容量法、重量法和色谱法等，当表面积比较小时，采用氮吸附法。

（2）色谱法测定比表面积
色谱法测定比表面积时载气一般采用He或H2,用N2做吸附质，吸附在液氮温度下进行。

10、何为扩散？催化剂颗粒内部存在几种扩散形式？
（1）扩散：分子通过随机运动，从高浓度向低浓度进行传播的现象。

（2）1）普通扩散（分子扩散）：分子扩散的阻力来自分子间的碰撞，通常在大孔（孔径大于100nm）
或者压力较高的条件下发生的扩散多为分子扩散。

2）微孔扩散（努森扩散Kundsen）：微孔扩散的阻力重要来自分子与孔壁的碰撞
3）过渡区扩散：指介于分子扩散与微孔扩散之间的过渡区。

4）构型扩散：在同一孔隙中扩散，由于分子构型不同，而扩散系数相差很大的扩散，称为构型扩散。

5）表面扩散：由于表面上分子的运动而产生的传质过程
11、Fick扩散定律描述的物理意义是什么？
Fick扩散定律：dn/dt=-Dedc/dx
答：描述：在扩散过程中，体系内部各处扩散质点的浓度不随时间变化，在x方向各处扩散流量相等。

定律含义：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。

第3、4章复习思考题：
1、固体酸酸性来源和酸中心的形成是怎样的？填
（1）来源：电离、提供电子、接受电子。

（2）1）浸渍在载体上的无机酸中心的形成
2）卤化物酸中心的形成
3）金属盐酸中心的形成
4）阳离子交换树脂酸中心的形成
5）氧化物酸碱中心的形成
6）杂多酸化合物酸中心的形成
2、固体酸的性质包括哪几方面？
1）酸中心的类型：通常与催化剂作用相关多为B酸和L酸。

2）酸中心的浓度（酸中心的数目）：指单位催化剂表面或单位催化剂质量所含酸中心的数目的多少。

3）酸中心强度：指给出质子（B酸）或者接受电子对（L酸）能力的强弱。

3、均相酸碱催化机理是怎样的？
一般以离子型机理进行，即酸碱催化剂与反应物作用形成正碳离子或负碳离子中间物种，这些中间物种与另一反应物作用，生成产物并释放出催化剂，构成酸碱催化循环。

4、碳离子反应规律是什么？
酸碱催化剂对许多烃类分子具有催化活性。

酸性催化剂可以提供质子或接受电子对，使烃类分子转变成带正电荷的正碳离子，循正碳离子反应机理进行催化转化；而碱性催化剂进攻烃类分子后，往往夺取质子或给烃类分子施放电子对，使反应按负碳离子反应机理进行。

5、分子筛催化剂的特点是什么？
①具有较高活性；
②具有较高选择性，可择形催化；
③具有较灵活的调变性；
④具有较好的稳定性。

6、试说明金属催化剂的特性？
（1）金属催化剂通常是以金属晶体的形式存在，而且具有多种晶体结构，由此也为化学吸附提供多种吸附中心。

（2）由于这些中心相互靠近，有利于被吸附物种相互作用而进行反应。

（3）由于吸附中心的多样性，也就造成竞争反应的同时发生，降低了金属催化剂的选择性。

（4）对双原子分子，容易进行解离吸附，从而进行各类反应。

7、试说明金属与载体间的相互作用？
相互作用为三种类型：一是金属颗粒和载体的接触位置处在界面部位处，则分散了的金属可保持阳离子的性质；二是分散了的金属原子熔于氧化物载体的晶格结构中或与载体形成混合氧化物；三是金属颗粒表面被来自载体氧化物涂释。

正是由于金属－载体的相互作用，结果使得电子流体在二者之间转移，出现电荷的位移。

金属与载体之间的相互作用，使得催化过程发生了变化。

8、试说明金属催化剂的哪些特性对其催化作用有较大的影响？
（1）金属催化剂晶格缺陷及其对催化作用的影响
点缺陷是指在晶格上缺少原子或者有多余的原子，造成缺陷的原因大致有三种：
①机械点缺陷②电子缺陷③化学缺陷。

（2）金属催化剂不均一表面对催化作用的影响
第5、7章复习思考题
1、过渡金属氧化物的电子性质有哪些？
①过渡金属氧化物中的金属阳离子的d电子层容易失去电子或夺取电子，具有较强的氧化还原性能。

②过渡金属氧化物具有半导体性质。

③过渡金属氧化物中金属离子的内层价轨道与外来轨道可以发生劈裂。

④过渡金属氧化物与过渡金属都可作为氧化还原反应催化剂，而前者由于其耐热性、抗毒性强，而且具有光敏、热敏、杂质敏感性，更有利于催化剂性能调变，因此应用更加广泛。

2、过渡金属氧化物的氧化还原机理是怎样的？
答：过渡金属氧化物催化剂在催化氧化反应过程当中，特别是对烃类氧化反应中，反应产物中的氧往往不是直接来自气相中的氧，而是来自金属氧化物中的晶格氧，气相中的氧只是用来补充催化剂在反应中消耗的晶格氧。

其氧化还原过程为：
3、晶体场对过渡金属氧化物的影响结果如何？
⑴第一个峰大多在电子构型为d3（Cr2O3，MnO2）处；
⑵第二个峰大多出现在电子构型为d6～d7（Co3O4）处；
⑶d0、d5和d10电子构型的氧化物（TiO2、Fe2O3、MnO、CuO）几乎在所有的反应中活性最低。

4、工业催化剂的设计开发包括哪些过程？（?）
1）探索阶段
根据反应特点，查阅有关文献分析、理论指导等，从技术上和济济上设计并初步进行研制。

经测定、筛选、改进，确定供进一步放大研究的催化剂。

该阶段通常在实验室中进行。

一般只进行合成方法与催化剂活性、选择性的评价试验。

实验室通常是在小型的能反映催化剂本征活性的装置上进行试验。

2 ）模拟放大阶段
将第一阶段筛选的催化剂取一定数量，在工业生产条件下，进行活性、选择性、寿命、再生产性等性能方面的考察，经过改进与完善，获得催化剂的全面性能数据，提出可以在工业生产规模上应用以及进行工业生产的数据。

试验通常是在一定规模的工业装置上进行（按生产条件），可在放大实验室或工业装置侧线进行。

在这阶段还应对反应动力学规律进行研究，为工业放大提供数据与资料。

3 ）工业生产阶段
设计与建立工业生产的反应装置和催化剂生产车间，经过试车正式进行工业化生产。

应当特别指出的是，在上述每一个阶段中，都应十分注意经济上的可行性，进行技术与经济的全面评价与分析，否则生产上全无意义。

5、选择催化剂的方法有哪些？
1 、周期表模拟：利用活性组分在元素周期表中位置，进行参考模拟。

2 、活性样板：利用具备同种活性的物质作为活性组分。

3 、主体性质：根据活性组分应该具备的催化性质，如属于固体酸、氧化还原、络合配位性质等选择。

4 、几何构型：利用反应物分子的结构不同，选择活性组分。

5 、化学吸附：利用对反应物的吸附能力及其吸附中间物种来选择活性组分。

6、原料和配料的选择原则是什么？
答：（1）原料的选择:1.符合产品的性能要求；2.所含的杂质容易去除，或限定在某个范围；3.容易获得，价格便宜，易于加工；4.对环境不存在污染或经处理能除去污染
（2）配料的选择原则：1.当配制成溶液时，水溶性物质可用水作为配料，但也应注意其酸性。

2.当原料不溶于水时，采用其它溶剂作为配料时，应容易除去，或者它的存在不影响催化剂的催化性能。

3.原料的配比可用重量比或原子比，关键在于准确并且符合催化剂的要求
7、沉淀法和凝胶法有什么特点与不同？
(1)优点：①有利于杂质的去除；②可获得活性组分分散度较高的产品；③制备多组分催化剂时，有利于组分间的紧密结合，形成适宜的活性构造；④活性组分于载体的结合较紧密，不易流失。

(2)缺点：①沉淀过程机理复杂，不易掌握；②制备多组分催化剂时，均匀度不易保证；③制造工艺流程较长，而且复杂，生产费用大。

(3)区别：凝胶法于沉淀法相比较，它能制备较为均匀的多组分催化剂，但凝胶法的设备更加庞大，费用更高。

8、浸渍法有何特点？
①它可以采用已经成型的外形与大小的载体，无需再进行以后的催化剂成型操作；
②浸渍法能够将一种或几种活性组分负载在载体上，活性组分都分布在载体表面上，活性组分利用率较高，用量少，这对于贵重金属意义重大；
③载体的结构基本决定了所制备的催化剂的孔结构与比表面大小。

则可选择具有合适的结构和比表面的载体，以提供适合催化剂所需的各种机械与物理性能。

9、催化剂失活的原因有哪些？
1）催化剂相组成的变化
2）烧结:高温下，粒子发生迁移，降低表面使得体系向稳定的方向进行，从而导致催化剂烧结。

3）流失:在高温下，由于某些组分被挥发、或是由于迁移而使得活性组分流失，导致催化剂失活。

4）中毒:由于毒物的存在而使得催化剂失活.
5）积炭（结焦）:高温下，反应物料由于分解、聚合等反应生成的碳或焦炭沉积在催化剂表面，使得催化剂的活性表面减少，堵塞孔道，影响活性使得其下降。

10、实验室评价催化剂的方法是怎样的？
（1）催化剂制备方法考察。

（2）催化剂制备条件对反应性能的影响：
pH值、搅拌、晶化（老化）时间、催化剂配比
（3）工艺条件考察
原料配比、反应温度、反应压力、反应时间、催化剂用量、助催化剂用量、空速；
（4）催化剂的回收方法及重复使用情况（寿命）
（5）分析方法的建立（物料平衡）
一般采用色谱分析手段：内标法、外标法、归一化法等等。

（6）催化剂的表征
SEM、Ft-IR、XRD、TPR、XPS等
（7）空白试验
11、实验室筛选催化剂过程
（1）确定一个过程（目标反应）
（2）查阅国内外相关文献
（3）反应历程分析与热力学分析
(4)反应体系的确定
(5)催化剂制备方法确定
（6）实验装置的选择
（7）催化剂性能评价
（5）加上：乙烯环氧化制环氧乙烷的催化剂活性组分是银，并负载在催化剂上，因此可采用浸渍法
同时还应考虑其他助催化剂的使用。

（6）加上：属于气固反应体系，可采用固定床微分反应器:
补充：
1.催化作用：催化剂对化学反应所产生的作用。

2.载体：载体是催化剂中主催化剂和助催化剂的分散剂、粘合剂和支撑体。

3.碳离子反应规律：酸碱催化剂对许多烃类分子具有催化活性。

酸性催化剂可以提供质子或接受电子对，使烃类分子转变成带正电荷的正碳离子，循正碳离子反应机理进行催化转化；而碱性催化剂进攻烃类分子后，往往夺取质子或给烃类分子施放电子对，使反应按负碳离子反应机理进行。

4.表面作用定律：理想吸附层中的表面基元反应，其速率与反应物在表面上的浓度成正比，而表面浓度的幂是化学计量方程的计量系数。

5.催化剂寿命：是指催化剂在一定反应条件下维持一定反应活性和选择性的使用时间。

6.酸强度：是指给出质子（ B 酸）或者接受电子对（ L 酸）能力的强弱。

7.老化：沉淀和凝胶在母液中放置时的再结晶过程。

8浸渍法：是指将固体粉末或一定形状及尺寸的已成型的固体浸泡在含有活性组分的可溶性化合物溶液中，接触一定时间后，分离残液，这样活性组分就以离子或化合物的形态附着在固体上，形成催化剂的方法。

9催化剂中毒：是指催化剂在微量毒物作用下丧失活性和选择性。

简答
1.酸碱催化作用与氧化还原催化作用的对比
①酸碱型催化反应
其反应机理是因为催化剂与反应物分子之间通过收受电子对而配位，或者发生极化，形成离子型活性中间物种所进行的催化反应。

②氧化还原型催化反应
其反应机理是因为催化剂与反应物分子之间通过单个电子的转移，而形成活性中间物种进行的催化反应。

2.固体酸碱催化剂的酸碱性来源于调节
（1）来源 :①结构不同，在相同的配位数情况下，以不同的价态的原子取代，产生电荷不平衡而产生的；同样当价态相同而配位数不同，会使其结构不平衡，产生酸性。

②对于金属盐类，当含有少结构量水时，金属离子对H2O 极化作用，会产生Ｂ酸中心。

（我的答案：电离、接受电子、提供电子）
(2)调节：①合成具有不同硅铝比的沸石，或者将低硅沸石通过脱铝通过硅铝比；②通过调节交换阳离子类型、数量，来调节酸强度或酸浓度，改善活性和选择性；③通过高温焙烧、高温水热处理、预积碳或碱中毒，减少或减弱其强酸中心，从而改变活性和选择性；④通过改变反应气氛，从而改变活性。

1、论述题：试分析沉淀法与凝胶法制备催化剂的影响因素，并对其制备方法的优缺点（在前面第五章第7）进行评述。

答：(1)沉淀法:其化学组成和结构，沉淀物的性能又由沉淀状态和条件（浓度、温度、ＰＨ值等）所决定。

浓度、温度、搅拌、PH 值.
(2)凝胶法：除了PH 值外，引入的物质的酸性以及其电离性（电解质性质）和凝胶放置的时间都对其有较大的影响。

另外，缩合反应的强弱，对凝结过程也有一定的影响。

在多相催化反应过程中，催化循环的建立表现为：一个反应物分子吸附在催化剂表面活性中心上，形成活性中间物种，并发生表面化学反应或重排生成化学吸附态的产物，再经脱附得到产物，催化剂复原并进行再一次反应。

催化剂的稳定性是指催化剂在使用条件下具有稳定活性的时间。

视密度：当用某种溶剂去填充催化剂中骨架之外的各种空间，测得（孔隙V V ），这样求得的真密度成
为视密度。

催化反应分类
1）按催化体系分均相、非均相和酶催化反应
2）按催化反应类型分类分为加氢反应，氧化反应，裂解反应，聚合反应，水合反应等等。

3）按催化反应机理分酸碱反应和氧化还原反应
固体催化剂的组成包括主催化剂、助催化剂和载体。

助催化剂按功能可分为：①结构型助催化剂②调变型助催化剂
③扩散型助催化剂④毒化型助催化剂
影响固体催化剂的结构存在状态的因素有：分散度，化合态，物相和均匀度。

催化剂的活性表示方法：①反应速率表示法；②反应速度常数表示法；③转化率表示法。

催化剂的选择性表示方法：①选择性（S％）；②选择因素（选择度）
催化剂的稳定性包括①化学稳定性；②耐热稳定性；③抗毒稳定性；④机械稳定性。

酸碱理论分为：酸碱电离理论、酸碱质子理论、酸碱电子理论、软硬酸碱理论
固体酸的酸性来源以及酸中心的形成归结为：①结构不同，在相同的配位数情况下，以不同的价态的原子取代，产生电荷不平衡而产生的；同样当价态相同而配位数不同，会使其结构不平衡，产生酸性。

②对于金属盐类，当含有少结构量水时，金属离子对H2O极化作用，会产生Ｂ酸中心。

沸石分子筛催化剂具有如下特点：①具有较高活性；②具有较高选择性，可择形催化；
③具有较灵活的调变性；④具有较好的稳定性。

沸石分子筛经阳离子交换后可产生B酸中心，再经脱水后可产生L酸中心，它们均可与反应物形成正碳离子，并按照正碳离子机理进行催化转化，这也就是所谓的沸石分子筛固体酸催化理论。

金属杂多酸盐产生酸性五种机理：酸性杂多酸盐中的质子给出B酸中心；制备时发生部分水解给出质子；与金属离子配位水的酸式解离给出质子；金属离子提供L酸中心；金属离子还原产生质子。

催化剂的选择分类如何？
答：根据目的不同分为三种类型：现有催化剂的改进、寻求适宜的催化剂以及开发研制新型催化剂。

6、催化剂制备一般包括哪几个步骤？原料和配料的选择原则是甚么？
答：催化剂的制备包括原料和配料的选择、母体的制备、活化成型等过程。

原料选择的原则是：（1）符合产品的性能要求；（2）所含的杂质容易去除，或限定在某个范围；（3）容易获得，价格便宜，易于加工；
（4）对环境不存在污染或经处理能除去污染。

7、沉淀法制备催化剂过程中，主要影响因素有哪些？试比较沉淀法与凝胶法制备催化剂的优缺点？温度、浓度、PH值、搅拌
沉淀法和凝胶法是催化剂制备的最广泛的方法，其优点为：
①有利于杂质的去除；
②可获得活性组分分散度较高的产品；
③制备多组分催化剂时，有利于组分间的紧密结合，形成适宜的活性构造；
④活性组分于载体的结合较紧密，不易流失。

沉淀法和凝胶法不仅常用来制备催化剂，也是合成载体所常用的方法。

但是其方法应用时应特别注意下列问题：
①沉淀过程机理复杂，不易掌握；
②制备多组分催化剂时，均匀度不易保证；
③制造工艺流程较长，而且复杂，生产费用大。

凝胶法于沉淀法相比较，它能制备较为均匀的多组分催化剂，但凝胶法的设备更加庞大，费用更高。

8、沉淀法制备催化剂中，杂质的一般存在形式是怎样的？
答：①机械地掺杂于沉淀物中；②粘于沉淀物的表面；③吸附与沉淀物的表面；④包藏于沉淀物的内部；⑤为沉淀物的化学组分之一。

工业催化原理课后习题汇编
1.1、论述催化剂是如何加速反应速率的？
催化剂可使化学反应物在不改变的情况下，经由只需较少活化能的路径来进行化学反应。

因而加快了反应速率。

1.2、催化作用有哪些基本特征？
1) 催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。

2) 催化剂只能加速反应趋于平衡，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) 实际上催化剂并不能无限期地使用，在长期受热和化学、物理作用下，会发生不可逆的变化，这将导致
催化剂活性下降，最终导致催化剂失活。

1.3、说明催化剂为什么不能改变平衡反应的平衡位置？
对于给定的反应，在已知条件下，其催化和非催化过程的-△G 0r 值是相同的，即K f 值是相同的，所以平衡位置没有改变。

另一种答案：化学平衡是由热力学决定的，ln p G RT k ，其中p k 为反应的平衡常数，G ∆是产物与反应物的标准自由焓之差，是状态函数，只决定于过程的始终态，而与过程无关。

催化剂的存在不影响G ∆值，它只能加速达到平衡所需的时间，而不能移动平衡点。

1.4、具有加氢功能的催化剂往往对脱氢反应也有活性。

试给予解释。

根据K f = ,催化剂可以以相同的比例加速正、逆反应的速率常数。

因此，对于可逆反应，能够催化正方向反应的催化剂，就应该能催化逆方向反应。

2.1、通常固体催化剂有哪几个部分组成的？载体和助催化剂的功能分别是什么？
通常估计催化剂由活性组分、载体和助催化剂三个部分组成。

（1）载体：载体是催化剂活性组分的分散剂、黏合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。

（2）助催化剂：本身没有活性或者活性很小，但加入到催化剂中后，可以改变催化剂的化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分散状态、机械强度等，从而提高催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命。

3.1、多相催化反应通常包括哪个连续的步骤？
（1） 反应物分子从气流中向催化剂表面和孔内扩散；
（2） 反应物分子在催化剂内表面上吸附；
（3） 吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用进行化学反应；
（4） 反应产物自催化剂内表面脱附；
（5） 反应产物在孔内扩散并扩散到反应气流中去。

3.2、试比较物理吸附与化学吸附。

物理吸附是借助分子间力，吸附力弱，吸附热小（8-20kJ/mol ），且是可逆的，无选择性，分子量越大越容易发生。

化学吸附是借助于化学键力，遵从化学热力学和化学动力学的传统定律，具有选择性特征，吸附热大（40-800kJ/mol ），一般是不可逆的，尤其是饱和烃分子的解离吸附。

3.3、固体表面发生化学吸附的原因是什么？表面反应与化学吸附的关系是什么？
发生化学吸附的原因，是由于位于固体表面的原子具有自由价，这些原子的配位数小于固体内原子的配位数，使得每个表面原子受到一种内向的净作用力，将扩散到其附近的气体分子吸附形成化学键
化学吸附是表面反应的前提。

化学吸附的表面物种在二维的吸附层中并非静止不动的，只要温度足够高，它们就成为化学活性物种，在固体表面迁移，随之进行化学反应。

表面反应要成功进行，就要求化学吸附不宜过强，也不能过弱。

3.4、金属表面上甲烷和氢分子的吸附，只能形成解离型化学吸附，为什么？
因为分子氢、烃分子在吸附之前先必须解离，因为很多这类分子不能直接与金属的“表面自由价”成键，必须先自身解离，成为有自由价的基团，所以只能形成解离理化学吸附。

3.5、如何判断一个催化反应是存在内、外扩散的控制？
如果反应物流量的改变对反应物的转化率影响较大，则存在外扩散控制；如果催化剂的粒径大小的改变对转化。