催化劑與催化作用基本知識.ppt

弘深學院理工5班 課程學習的意義和目的 1 催化劑是化工技術(shù)的核心80 化學工業(yè)過程 石油加工 傳統(tǒng)化學工業(yè) 食品工業(yè) 建材工業(yè) 精細化學品工業(yè) 環(huán)保產(chǎn)業(yè)等 是采用催化過程來實現(xiàn)的 催化劑的銷售額在100 200億美元 與催化劑相關(guān)的工藝設(shè)備銷售收入可達數(shù)千億美元 2 化工技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域 與催化劑相關(guān)的專利等化學工藝技術(shù) 設(shè)備 方法在化工專利的絕大部分 催化劑 弘深學院理工5班 弘深學院理工5班 1 1 1催化劑和催化作用 CatalystandCatalysis 弘深學院理工5班 1 1 2催化作用不能改變化學平衡 弘深學院理工5班 1 1 2催化作用不能改變化學平衡 關(guān)于可逆反應(yīng) 根據(jù)微觀可逆原理 假如一個催化反應(yīng)是可逆的 則一個加速正反應(yīng)速率的催化劑也應(yīng)加速逆反應(yīng)速率 以保持K平不變 K平 K正 K逆 也就是說 同樣一個能加速正反應(yīng)速率控制步驟的催化劑也應(yīng)該能加速逆反應(yīng)速率 弘深學院理工5班 1 1 2催化作用不能改變化學平衡 第一 對某一催化反應(yīng)進行正反應(yīng)和進行逆反應(yīng)的操作條件 溫度 壓力 進料組成 往往會有很大差別 這對催化劑可能會產(chǎn)生一些影響 第二 對正反應(yīng)或逆反應(yīng)在進行中所引起的副反應(yīng)也是值得注意的 因為這些副反應(yīng)會引起催化劑性能變化 問題1 實際工業(yè)上催化正反應(yīng) 逆反應(yīng)時為什么往往選用不同的催化劑 弘深學院理工5班 1 1 3催化作用改變反應(yīng)歷程而改變反應(yīng)速度 反應(yīng)難以進行 使合成氨實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn) 弘深學院理工5班 催化劑改變反應(yīng)歷程意味著 1 催化劑參與反應(yīng)物之間的化學反應(yīng)2 通過反應(yīng)歷程改變使化學反應(yīng)的所需克服的能壘數(shù)值大大減少 結(jié)果 催化反應(yīng)相對常規(guī)化學反應(yīng)發(fā)生的條件溫和得多 甚至常規(guī)條件下難以發(fā)生的反應(yīng) 在催化劑參與下實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn) 問題2 請同學們舉二個以上的實例 弘深學院理工5班 1 1 4催化劑對加速化學反應(yīng)具有選擇性 弘深學院理工5班 1 1 4催化劑對加速化學反應(yīng)具有選擇性 甲醇氧化反應(yīng)的不同能壘變化示意圖 反應(yīng)產(chǎn)物具有選擇性的主要原因仍然是由于催化劑可以顯著降低主反應(yīng)的活化能 而副反應(yīng)活化能的降低則不明顯 CH3OH O2 CO2 2H2O CH3OH O2 HCHO 2H2O 弘深學院理工5班 催化劑選擇性理解 1 不同催化劑對特定的反應(yīng)體系有選擇性 機理選擇性 2 催化劑因催化劑結(jié)構(gòu)不同導致選擇性 擴散選擇性 問題3 催化劑的選擇性在工業(yè)上有何意義 弘深學院理工5班 1 2 1催化反應(yīng)分類 按催化反應(yīng)系統(tǒng)物相的均一性進行分類 弘深學院理工5班 1 2 1催化反應(yīng)分類 按反應(yīng)類型進行分類 弘深學院理工5班 1 2 1催化反應(yīng)分類 按反應(yīng)機理進行分類 弘深學院理工5班 1 2 1催化反應(yīng)分類 弘深學院理工5班 1 2 2催化劑分類 元素周期律把元素分為主族元素 和副族元素 用做催化劑的主族元素多以化合物形式存在 主族元素的氧化物 氫氧化物 鹵化物 含氧酸及氫化物等由于在反應(yīng)中容易形成離子鍵 主要用做酸堿型催化劑 但是 第 主族的部分元素 如銦 錫 銻和鉍等氧化物也常用做氧化還原型催化劑 而副族元素無論是金屬單質(zhì)還是化合物 由于在反應(yīng)中容易得失電子 主要用做氧化還原型催化劑 特別是第 過渡族金屬元素和它的化合物是最主要的金屬催化劑 金屬氧化物催化劑和絡(luò)合物催化劑 但是副族元素的一些氧化物 鹵化物和鹽類也可用做酸堿型催化劑 如Cr2O3 NiSO4 ZnCl2和FeCl3等 按元素周期律分類 弘深學院理工5班 1 2 2催化劑分類 按固體催化劑的導電性及化學形態(tài)分類 弘深學院理工5班 1 3固體催化劑的組成 固體催化劑 又稱活性組分催化劑的主要成分 同時起催化作用 缺一不可 弘深學院理工5班 1 3 1固體催化劑的組成 弘深學院理工5班 1 3 2固體催化劑的結(jié)構(gòu) 弘深學院理工5班 1 3 2固體催化劑的結(jié)構(gòu) 弘深學院理工5班 催化劑的表示方法 通常 1 用 來區(qū)分載體與活性組分如 Ru Al2O3 Pt Al2O3 Pd SiO2Au C2 用 來區(qū)分各活性組分及助劑Pt Sn Al2O3 Fe AL2O3 K2O 弘深學院理工5班 1 4 1催化劑的反應(yīng)性能 催化劑的活性催化劑的選擇性催化劑的穩(wěn)定性 弘深學院理工5班 催化活性在理論研究中經(jīng)常采用 轉(zhuǎn)換頻率 Turnoverfrequency 指單位時間內(nèi)每個催化活性中心上發(fā)生反應(yīng)的次數(shù) 作為真正催化活性的一個基本度量 弘深學院理工5班 1 4 1催化劑的反應(yīng)性能 催化劑的選擇性 選擇性 S 選擇性因素 選擇度 弘深學院理工5班 1 4 1催化劑的反應(yīng)性能 催化劑的穩(wěn)定性 化學穩(wěn)定性 耐熱穩(wěn)定性 抗毒穩(wěn)定性 機械穩(wěn)定性 弘深學院理工5班 1 4 2對工業(yè)催化劑的要求 工業(yè)催化劑是指具有工業(yè)生產(chǎn)實際意義 可以用于大規(guī)模生產(chǎn)過程的催化劑 一種好的工業(yè)催化劑應(yīng)具有適宜的活性 高選擇性和長壽命 工業(yè)催化劑的活性 選擇性和壽命除決定于催化劑的組成結(jié)構(gòu)外 與操作條件也有很大關(guān)系 這些條件包括原料的純度 生產(chǎn)負荷 操作溫度和壓力等 因此 在選擇或研制催化劑時要充分考慮到操作條件的影響 并選擇適宜的配套裝置和工藝流程 此外 催化劑的價格也是要考慮的 弘深學院理工5班 1 5 1多相催化反應(yīng)過程的主要步驟 弘深學院理工5班 1 5 2多相催化反應(yīng)中的物理過程 外擴散和內(nèi)擴散 外擴散 內(nèi)擴散 弘深學院理工5班 1 5 2多相催化反應(yīng)中的物理過程 為充分發(fā)揮催化劑作用 應(yīng)盡量消除擴散過程的影響 弘深學院理工5班 1 5 3多相催化反應(yīng)的化學過程 反應(yīng)物化學吸附生成活性中間物 活性中間物進行化學反應(yīng)生成產(chǎn)物 吸附的產(chǎn)物經(jīng)過脫附得到產(chǎn)物 催化劑得以復原 弘深學院理工5班 1 5 3多相催化反應(yīng)的化學過程 活性中間物種的形成 活性中間體 吸附作用 弘深學院理工5班 1 5 3多相催化反應(yīng)的化學過程 催化循環(huán)的建立 反應(yīng)物化學吸附生成活性中間物 活性中間物進行化學反應(yīng)生成產(chǎn)物 吸附的產(chǎn)物經(jīng)過脫附得到產(chǎn)物 催化劑得以復原 吸附不能太強 吸