第一章緒論

授課內容

·引言

催化作用的意義，催化作用與熱力學

·催化作用與催化劑的定義、概念

·催化劑的重要性質·催化劑的一般組成

·催化體系的分類·催化科學的發(fā)展·催化科學的范圍

1.1引言

1.1.1催化作用的意義

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

現(xiàn)代化學工業(yè)過程：

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

·催化劑直接銷音額~100億美元/年

·催化劑消耗量>100萬噸/年

·產生的產品價值>10000億美元/年

1.1.1催化作用的意義

2、催化劑的應用領域

（1）合成氨及合成甲醇：產量最大的合成化學品

（2）石油煉制與合成燃料：運輸量和消費量最大的化學品

（3）無機化學工業(yè)：酸、堿、鹽，硫酸和硝酸的生產（4）基本有機合成工業(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）精細化工產品：品種最多、平均單價高的化學品（7）生物化工：最有潛力和發(fā)展前景的化工領城

（8）環(huán)境化學：與人類生存密切相關的領域，尾氣凈化

1.1.1催化作用的意義3、自然界

生物界：一切生命活動都商不開酶催化地質：地質催化，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、動力學1、化學反應體系實現(xiàn)的2個基本要素

·熱力學可行性：反應能否進行、進行的程度熱力學平衡：化學反應的極限，反應的方向

·動力學可能性：反應進行的速度、何時達到平衡2者缺一不可

1.1.2催化作用與熱力學、動力學2、催化劑的作用

（1）加快反應速度

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

正反應和逆反應同樣加速

只能加快熱力學上可行的反應，“催化不是萬能的”

（2）提高選擇性

改變反應歷程

降低反應活化能

加快主要反應速度

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，硝酸鉀促進硫磺的燃燒反應一1781年，法國，Parmentier，硫酸促進淀粉水解一1816年，英國，Davy，鉑促進甲婉和醇的氧化反應一1820年，視國，Dobereiner，鉑粉促進氫氣和氧氣的化合（化學演示反應）特點：只是有意識地應用了催化作用，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）只加速熱力學上可行的反應催化劑只能加速熱力學可行的反應，而不能實現(xiàn)熱力學不可能的反應。

（2）催化劑不影響平衡常數(shù)

反應終了時催化劑的化學性質沒有改變，不會影響反應體系的標準自由能變化AG0，因而也不會影響平衡常數(shù)K。與此相反，若一種物質加入后使反應體系的AG0改變，則不能看作是催化劑。

1.2.1催化作用

7、催化反應中的催化劑

（2）催化劑用量少且不消耗

催化劑在反應過程完成后并不消耗

少量催化劑可以催化大量反應物

特效催化劑：酶催化和有機金屬催化催化劑濃度在10-6-9數(shù)量級（3）化學計量方程式與催化劑量無關，反應速度與催化劑量成正比

（4）參加反應后催化劑會有變化但很微小催化劑組成、結構和孔結構的緩慢變化催化劑與反應物和產物的元素交換

活性組份的微小變化

其他派生反應—一催化劑緩慢失活的原因

1.2.2催化劑的重要性質評價催化劑的四個最重要的性質（指標）：

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

1.2.2催化劑的重要性質

1、催化劑的活性

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

A）轉換頻率，turnover frequency/s-1：在給突反應條件及一定反應程度下，單位時間內每個活性位上發(fā)生的總包反應次數(shù)。這是催化活性的本質表示，非常科學。但由于催化活性位的組成、結構和數(shù)量難以確定，實際上難以實現(xiàn)，只限于理論研究

1.2.2催化劑的重要性質1、催化劑的活性

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

1.2.2催化劑的重要性質1、催化劑的活性

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

·在均相催化時，Q是反應體系的體積

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

1.2.2催化劑的重要性質

1、催化劑的活性

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

D）轉化率：這也是常用的比較催化劑活性的參量。

轉化率定義為：X=反應物轉化量/引入體系的反應物總量*100%

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

·若為一級反應，由于轉化率與反應物濃度無關，則不要求原料氣濃度相同的條件