第一章緒論

授課內(nèi)容

·引言

催化作用的意義，催化作用與熱力學(xué)

·催化作用與催化劑的定義、概念

·催化劑的重要性質(zhì)·催化劑的一般組成

·催化體系的分類·催化科學(xué)的發(fā)展·催化科學(xué)的范圍

1.1引言

1.1.1催化作用的意義

1、催化劑在國計(jì)民生中的作用催化劑一現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的心臟

現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)過程：

·據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有90%以上的化工過程是采用催化劑進(jìn)行生產(chǎn)的。借助于催化劑生產(chǎn)的產(chǎn)品總值在全世界工業(yè)生產(chǎn)總值中約占18%，僅低于機(jī)械產(chǎn)品的總值

·催化劑直接銷音額~100億美元/年

·催化劑消耗量>100萬噸/年

·產(chǎn)生的產(chǎn)品價(jià)值>10000億美元/年

1.1.1催化作用的意義

2、催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）合成氨及合成甲醇：產(chǎn)量最大的合成化學(xué)品

（2）石油煉制與合成燃料：運(yùn)輸量和消費(fèi)量最大的化學(xué)品

（3）無機(jī)化學(xué)工業(yè)：酸、堿、鹽，硫酸和硝酸的生產(chǎn)（4）基本有機(jī)合成工業(yè)：醇、醛（酮）、酸、酯、晴（5）三大合成材料：合成樹脂與塑料、合成橡膠、合成纖維Ziegler-Natta、后過渡金屬、茂金屬催化劑（6）精細(xì)化工產(chǎn)品：品種最多、平均單價(jià)高的化學(xué)品（7）生物化工：最有潛力和發(fā)展前景的化工領(lǐng)城

（8）環(huán)境化學(xué)：與人類生存密切相關(guān)的領(lǐng)域，尾氣凈化

1.1.1催化作用的意義3、自然界

生物界：一切生命活動(dòng)都商不開酶催化地質(zhì)：地質(zhì)催化，如：石油生成的催化作用日常生活：空氣凈化

1.1.2催化作用與熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)1、化學(xué)反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)的2個(gè)基本要素

·熱力學(xué)可行性：反應(yīng)能否進(jìn)行、進(jìn)行的程度熱力學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)的極限，反應(yīng)的方向

·動(dòng)力學(xué)可能性：反應(yīng)進(jìn)行的速度、何時(shí)達(dá)到平衡2者缺一不可

1.1.2催化作用與熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2、催化劑的作用

（1）加快反應(yīng)速度

催化劑能改變反應(yīng)途徑，降低反應(yīng)活化能催化只能加快熱力學(xué)可行的反應(yīng)速度不能改變反應(yīng)平衡常數(shù)

正反應(yīng)和逆反應(yīng)同樣加速

只能加快熱力學(xué)上可行的反應(yīng)，“催化不是萬能的”

（2）提高選擇性

改變反應(yīng)歷程

降低反應(yīng)活化能

加快主要反應(yīng)速度

1.2催化作用與催化劑

1.2.1催化作用

1、催化作用早期的歷史

·最早的催化一Biocatalysis：中國，公元前，發(fā)酵一釀酒、制醋、醬和醬油制做、侵頭和面包制做等

·非生物催化

一1740年，英國，Ward，硝酸鉀促進(jìn)硫磺的燃燒反應(yīng)一1781年，法國，Parmentier，硫酸促進(jìn)淀粉水解一1816年，英國，Davy，鉑促進(jìn)甲婉和醇的氧化反應(yīng)一1820年，視國，Dobereiner，鉑粉促進(jìn)氫氣和氧氣的化合（化學(xué)演示反應(yīng)）特點(diǎn)：只是有意識(shí)地應(yīng)用了催化作用，并不知道催化作用，并未提出“催化”

1.2.1催化作用4、催化作用的體現(xiàn)

（1）只加速熱力學(xué)上可行的反應(yīng)催化劑只能加速熱力學(xué)可行的反應(yīng)，而不能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)不可能的反應(yīng)。

（2）催化劑不影響平衡常數(shù)

反應(yīng)終了時(shí)催化劑的化學(xué)性質(zhì)沒有改變，不會(huì)影響反應(yīng)體系的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化AG0，因而也不會(huì)影響平衡常數(shù)K。與此相反，若一種物質(zhì)加入后使反應(yīng)體系的AG0改變，則不能看作是催化劑。

1.2.1催化作用

7、催化反應(yīng)中的催化劑

（2）催化劑用量少且不消耗

催化劑在反應(yīng)過程完成后并不消耗

少量催化劑可以催化大量反應(yīng)物

特效催化劑：酶催化和有機(jī)金屬催化催化劑濃度在10-6-9數(shù)量級(jí)（3）化學(xué)計(jì)量方程式與催化劑量無關(guān)，反應(yīng)速度與催化劑量成正比

（4）參加反應(yīng)后催化劑會(huì)有變化但很微小催化劑組成、結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)的緩慢變化催化劑與反應(yīng)物和產(chǎn)物的元素交換

活性組份的微小變化

其他派生反應(yīng)—一催化劑緩慢失活的原因

1.2.2催化劑的重要性質(zhì)評(píng)價(jià)催化劑的四個(gè)最重要的性質(zhì)（指標(biāo)）：

（1）活性，Activity，高（2）選擇性，Selectivity，高（3）壽命，Lifetime，長（4）價(jià)格，Cost，低

1.2.2催化劑的重要性質(zhì)

1、催化劑的活性

（1）活性的表示方法：活性高醫(yī)表示催化劑對(duì)反應(yīng)加速的強(qiáng)弱，表示催化劑活性的方法很多，通常有以下幾種方法：

A）轉(zhuǎn)換頻率，turnover frequency/s-1：在給突反應(yīng)條件及一定反應(yīng)程度下，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)活性位上發(fā)生的總包反應(yīng)次數(shù)。這是催化活性的本質(zhì)表示，非常科學(xué)。但由于催化活性位的組成、結(jié)構(gòu)和數(shù)量難以確定，實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)，只限于理論研究

1.2.2催化劑的重要性質(zhì)1、催化劑的活性

B）反應(yīng)速率：反應(yīng)速率表示反應(yīng)的快慢，不同場(chǎng)合使用不同速率表示法。在多數(shù)情況下，以反應(yīng)物消失的速率或以產(chǎn)物生成的速率表示反應(yīng)的快慢。

1.2.2催化劑的重要性質(zhì)1、催化劑的活性

·在氣固多相催化反應(yīng)使用固體催化劑情況下，Q可以是催化劑的體積（單位體積的反應(yīng)速率，V）、質(zhì)量（反應(yīng)的比速率，m）或表面積（單位面積的反應(yīng)速率，A）

·在均相催化時(shí)，Q是反應(yīng)體系的體積

√用速率比較催化劑的活性時(shí)，應(yīng)保證反應(yīng)進(jìn)行時(shí)的溫度、壓力和原料氣的組成相同工業(yè)上常用時(shí)空收率表示催化劑的活性。其定義是每小時(shí)每升催化劑所得產(chǎn)物量。它是一段時(shí)間內(nèi)速率的平均值。雖然這種表示活性的方法不精確，但較實(shí)用

1.2.2催化劑的重要性質(zhì)

1、催化劑的活性

C）速率常數(shù)：用速率常數(shù)比較活性時(shí)，要求溫度相同，在不同催化劑上反應(yīng)，僅當(dāng)反應(yīng)的速率方程有相同的形式時(shí)，用速率常數(shù)比較活性大小才有意義

D）轉(zhuǎn)化率：這也是常用的比較催化劑活性的參量。

轉(zhuǎn)化率定義為：X=反應(yīng)物轉(zhuǎn)化量/引入體系的反應(yīng)物總量*100%

在用轉(zhuǎn)化速率比較活性時(shí)：要求反應(yīng)溫度，壓力、原料氣濃度和接觸時(shí)間（停留時(shí)間）相同

·若為一級(jí)反應(yīng)，由于轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)物濃度無關(guān)，則不要求原料氣濃度相同的條件