催化作用与催化剂精选课件.ppt
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1、关于催化作用与催化剂第一页,本课件共有73页催化作用的定义催化作用的定义1催化作用的特征催化作用的特征2催化剂的组成催化剂的组成3催化剂分类催化剂分类4本章主要内容催化剂的反应性性能及对工业催催化剂的反应性性能及对工业催化剂的要求化剂的要求5第二页,本课件共有73页Catalysis:18351836年,瑞典学者J.J.Berzelius提出,“cata”意思是“down”,而“lysis”为动词,意思是分裂或者破坏,当时认为:“一种催化剂是破坏阻碍化学反应进行的正常力。1901年德国物理化学家W.Ostwald提出催化剂定义:“催化剂是可以改变化学反应的速度,但最后不出现在生成物中的物质”1
2、903年法国科学家P.Sabatier提出:“催化剂能引发化学反应或加速化学反应,但本身不发生变化。1981年IUPAC提出的定义:“催化剂是一种物质,它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用,涉及催化剂的反应称为催化反应。”催化作用的定义催化作用的定义1第三页,本课件共有73页一、一、化学反应的本质化学反应的本质化化学学反反应应是是反反应应物物分分子子发发生生电电子子云云的的重重新新排排布布,实实现现化化学学键键的的断断裂裂和和形形成成,而而转转化化为为反反应应产产物物。在在旧旧键键断断裂裂和和新新键键形形成成的的过过程中,一般需要一定的活化能程中,
3、一般需要一定的活化能(Ea)。第四页,本课件共有73页活化能活化能(Ea)Arrhenius经验方程:经验方程:当活化能较大,反应温度又较低时,仅当活化能较大,反应温度又较低时,仅有少数反应物分子具有足够能量而成为活化有少数反应物分子具有足够能量而成为活化分子参与反应,其反应速率往往是很慢的。分子参与反应,其反应速率往往是很慢的。第五页,本课件共有73页活化能活化能(Ea)过渡状态理论过渡状态理论:每个反应体系每个反应体系的正向反应和逆向反的正向反应和逆向反应总是沿着一条相同应总是沿着一条相同的反应途径以相反方的反应途径以相反方向进行,中间经过相向进行,中间经过相同的过渡状态。同的过渡状态。第
4、六页,本课件共有73页 在利用化学反应进行工业生产时,往在利用化学反应进行工业生产时,往往需要解决提高反应速率问题。往需要解决提高反应速率问题。提高反应速率可以通过提高反应速率可以通过:提高反应温度(提高反应温度(T)和和 降低反应活化能(降低反应活化能(Ea)两个途径来实现。两个途径来实现。第七页,本课件共有73页提高反应速率通常不能单靠提提高反应速率通常不能单靠提高反应温度来解决高反应温度来解决对于正向反应为放热的反应,逆向反应对于正向反应为放热的反应,逆向反应的活化能大于正向反应的活化能,提高的活化能大于正向反应的活化能,提高反应温度更有利于逆向反应速率的提高,反应温度更有利于逆向反应速
5、率的提高,可能使正向反应达到的程度受到不利的可能使正向反应达到的程度受到不利的化学平衡位置所限制;化学平衡位置所限制;第八页,本课件共有73页对于具有几个可能反应方向的反对于具有几个可能反应方向的反应体系,提高反应温度可同时加快应体系,提高反应温度可同时加快主反应和副反应的速率,有的副反主反应和副反应的速率,有的副反应速率可能加快得更显著,从而造应速率可能加快得更显著,从而造成产物收率的降低和分离提纯的困成产物收率的降低和分离提纯的困难。难。第九页,本课件共有73页降低反应的活化能降低反应的活化能不仅不仅可以提高反应速率;可以提高反应速率;而且而且可以控制反应进行的方向。可以控制反应进行的方向
6、。对于具有几个反应方向的反应体系对于具有几个反应方向的反应体系来说,如果较大幅度降低主反应的活化来说,如果较大幅度降低主反应的活化能,可使反应主要向主反应方向发生,能,可使反应主要向主反应方向发生,即可以控制反应进行的方向。即可以控制反应进行的方向。第十页,本课件共有73页 使用催化剂是通过使用催化剂是通过降低反应活化能来提高降低反应活化能来提高反应速率和控制反应方反应速率和控制反应方向的最有效办法。向的最有效办法。第十一页,本课件共有73页对于N2+3H2=2NH3反应,无催化剂存在时,在500oC、常压条件下,反应活化能高,334kJ/mol。此条件下反应速度极慢,竞不能觉察出氨的生成。第
7、十二页,本课件共有73页有催化剂存在下,在催化剂表面发生了如下所示的一系列表面作用过程,最后生成了氨分子。催化反应的速率控制步骤是氮解离步骤,该步的活化能70kJ/mol。催化剂为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径。不同的催化剂的催化反应活化能可能不同。第十三页,本课件共有73页N2+3H2=2NH3的催化反应途径第十四页,本课件共有73页催化作用的特征(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。在开发一种新的化学反应的催化剂时,首先要对该反应体系进行热力学分析,看在给定的条件下是否属于热力学上可行的反应。第十五页,本课件共有73页催化作用的特征(2)催化
8、剂只能加速反应趋于平衡,不能改变平衡的位置(平衡常数)。化学平衡是由热力学决定的G0RT1nKP,其中KP为反应的平衡常数,G0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G0值,它只能加速达到平衡所需的时间,而不能移动平衡点。第十六页,本课件共有73页不能改变平衡的位置的例子乙苯脱氢制苯乙烯第十七页,本课件共有73页催化剂不能改变平衡位置-实例乙苯脱氢制苯乙烯,在600常压、乙苯与水蒸汽摩尔比为1:9时,按平衡常数计算,达到平衡后苯乙烯的最大产率为72.3,这是平衡产率,是热力学所预示的反应限度。为了尽可能实现此产率,可选择良好催化剂以使
9、反应加速。但在反应条件下,要想用催化剂使苯乙烯产率超过72.8是不可能的。第十八页,本课件共有73页不能改变平衡的位置的另一例子烷烃异构化第十九页,本课件共有73页不同异构体的辛烷值不相同第二十页,本课件共有73页辛烷值的定义辛烷值:汽油在汽油机中燃烧时的抗震性指标。汽油辛烷值大,抗震性好,质量也好。常以标准异辛烷值规定为100,正庚烷的辛烷值规定为0,这两种标准燃料以不同的体积比混合起来,可得到各种不同的抗震性等级的混合液,在发动机工作相同条件下,与待测燃料进行对比。抗震性与样品相等的混合液中所含异辛烷百分数,即为该样品的辛烷值。第二十一页,本课件共有73页C5、C6正、异构体热力学平衡组成
10、第二十二页,本课件共有73页催化剂也同时加速逆反应速率根据Kp=K正/K逆,既然不能改变平衡常数,它必然以相同的比例加速正、逆反应的速率常数。这个推论具有重要意义。对于可逆反应,能催化正方向反应的催化剂,就应该能催化逆方向的反应。例如,脱氢反应的催化剂同时也是加氢反应的催化剂,水合反应的催化剂同时也是脱水反应的催化剂。这条规则对选择催化剂很有用。第二十三页,本课件共有73页催化作用的特征(3)-催化剂对反应具有选择性催化剂对反应具有选择性根据热力学计算,某一反应可能生成不只一种产物时,应用催化剂可加速某一目的产物的反应,即称为催化剂对该反应的选择性。工业上利用催化剂具有选择性,使原料转化为所需
11、要的产品。例如,以合成气(COH2)为原料,使用不同的催化剂则沿不同的途径进行反应。第二十四页,本课件共有73页催化剂对反应具有选择性-实例反应物催化剂及反应条件产物CO+H2Rh/Pt/SiO2,573K,7105Pa乙醇Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K,1.0133107 2.0266107Pa甲醇Rh络合物,473573K,5.0665107 3.0399108Pa乙二醇Cu,Zn,493K,3106Pa二甲醚Ni,473573K,1.0133105Pa甲烷Co,Ni,473K,1.0133105Pa合成汽油第二十五页,本课件共有73页热反应时生成热反应时生成COCO2 2比生比
12、生成甲醛的能垒小很多成甲醛的能垒小很多甲醇氧化反应的不同能垒变化示意图催化反应时,生成催化反应时,生成COCO和和COCO2 2的能垒明显高于生的能垒明显高于生成甲醛的能垒成甲醛的能垒反应产物具有选择性的主要原反应产物具有选择性的主要原因仍然是由于催化剂可以显著因仍然是由于催化剂可以显著降低主反应的活化能,而副反降低主反应的活化能,而副反应活化能的降低则不明显应活化能的降低则不明显CH3OH+O2=CO2+2H2OCH3OH+O2=HCHO+2H2O第二十六页,本课件共有73页催化作用的特征(4)-催化剂的寿命催化剂能改变化学反应的速度,其自身不进入反应的产物,在理想的情况下不为反应所改变。催
13、化剂在参与反应过程中,先与反应物生成某种不稳定的活性中间络合物,再继续反应生成产物,催化剂恢复到原来的状态。催化剂象这样不断循环起作用。一定量的催化剂可以使大量的反应物转化为大量的产物。实际反应过程中,催化剂并不能无限期地使用,在长期的反应条件下和化学作用下,会发生不可逆物理和化学变化,如晶相变化、晶粒分散度的变化、组分的流失等,导致催化剂的失活。第二十七页,本课件共有73页催化剂的组成催化剂的组成催化剂的组成主催化剂-活性组分助催化剂载体第二十八页,本课件共有73页活性组分活性组分【主催化剂(主催化剂(Catalyst)、)、共催化剂共催化剂(Co-catalyst)】指指催催化化剂剂中中能
14、能加加速速反反应应的的物物质质。没没有有活活性性组组分分则则催催化剂活性就丧失了。化剂活性就丧失了。例如反应:例如反应:2C2H4+O22CH3CHO经经常常采采用用将将Pd载载于于硅硅胶胶上上的的催催化化剂剂。如如果果没没有有Pd,只有硅胶则对反应无活性,这里只有硅胶则对反应无活性,这里Pd就是活性组分。就是活性组分。第二十九页,本课件共有73页活性组分活性组分 共催化剂:共催化剂:共催化剂是能和主催化剂起作用的组分共催化剂是能和主催化剂起作用的组分例如:例如:在在MoO3-Al2O3型型脱脱氢氢催催化化剂剂中中,单单独独的的MoO3和和Al2O3都都只只有有很很小小的的活活性性,但但把把两
15、两者者组组合合起起来来,却却可可制制成成活活性性很高的催化剂,所以很高的催化剂,所以MoO3和和Al2O3互为共催化剂。互为共催化剂。合合成成氨氨的的反反应应中中,铁铁系系催催化化剂剂可可以以单单独独作作为为主主催催化化剂剂,已已成成功功工工业业化化数数十十年年,近近年年的的研研究究证证明明,使使用用Mo-Fe合合金金更更好好,合合金金中中Mo含含量量在在80%时时其其活活性性比比单单独独的的Fe或或Mo都都高高,这里这里Mo就是主催化剂,而就是主催化剂,而Fe反倒成了共催化剂反倒成了共催化剂第三十页,本课件共有73页助催化剂(promoter)助催化剂是加到催化剂中的少量物质(510%),是
16、催化剂的辅助成分,本身没有催化活性或活性很小。可以改变催化剂的化学组成、结构、价态、酸碱性、分散度等具有提高主催化剂的活性、选择性,稳定性和寿命。助催化剂的种类:结构性助催化剂和电子型助催化剂第三十一页,本课件共有73页结构性助催化剂结构性助催化剂的作用主要是提高活性组分的分散性和热稳定性。通过加入这种助催化剂,使活性组分的细小晶粒间隔开来,不易烧结;也可以与活性组分形成固熔体而达到热稳定,提高活性。能起结构稳定作用的助催化剂,多为熔点较高、难还原的金属氧化物。如氨合成用的Fe催化剂,通过加入少量的Al2O3。使其活性、和寿命大大延长。原因是Al2O3与活性Fe形成了固熔体,有效阻止了Fe的烧
17、结。第三十二页,本课件共有73页电子型助催化剂电子型助催化剂:作用是调整催化剂主要活性组分的电子结构、表面性质或晶形结构,从而提高催化剂的活性和选择性。研究表明,金属的催化活性与其表面电子的授受能力有关。具有空成键轨道的金属,对电子有强的吸引力,而吸附能力的强弱和催化活性紧密相连的。如氨合成用的铁催化剂中,Fe有空的d轨道,可以接受电子,在Fe-Al2O3中加入K2O后,K2O把电子传给Fe,使Fe原子的电子密度增加,提高其活性,所以K2O 是电子型的助催化剂。第三十三页,本课件共有73页载体载体是催化剂活性组分的分散剂、支撑体,是负载活性组分的骨架。将活性组分、助催化剂负载于载体上所制得的催
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