催化剂与催化作用参考答案DOCWord下载.docx
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诱导力：
容易极化的分子被极性分子诱导产生的诱导偶极子和永久偶极子之间的作用力
色散力：
原子内电子密度的瞬时诱导邻近原子产生偶极而致的两个瞬时偶极子之间的相互作用力
化学吸附：
价键力，形成化学键
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。
10.催化剂的孔结构参数包括
1）密度ρ=m/vV=V隙+V孔+V真
堆密度：
ρ堆=m/v颗粒密度：
ρP=m/（V-V隙）=m/（V孔+V真or骨架）
真密度（骨架密度）:
ρ骨架=m/（V堆-（V孔+V隙））视密度：
ρ视=m/（V堆-（V孔+V隙））
2）比孔容在体积为V的容器中装满重量为W的催化剂颗粒或粉末，抽真空后，充入氦气，测定出充入氦的体积VHe，即：
容器内除去催化剂骨架体积以外的所有空间体积。
然后，将氦抽出，并在常压下充入汞，测定出充入汞的体积VHg，即：
除去催化剂骨架体积和颗粒中的孔隙体积以后容器中剩余的体积。
也就是说，催化剂的孔容：
V孔＝VHe－VHg
3）孔隙率
4）平均孔径5）孔径分布6）孔的形状与连通性
11、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。
12.扩散类型
（1）扩散定义：
分子通过随机运动，从高浓度向低浓度进行传播的现象。
①常规扩散（容积扩散）
多孔固体介质的孔径≥100nm；
孔径尺寸大小>
分子平均自由程；
分子间碰撞几率>
分子与孔道壁的碰撞几率；
扩散阻力主要为分子之间的碰撞。
②克努森（Knudsen）扩散
多孔固体介质的孔径≤100nm；
孔径尺寸<
分子间碰撞几率<
分子与孔壁的碰撞几率；
扩散阻力主要为分子与孔壁的碰撞。
③构型扩散
沸石微孔尺寸与扩散分子尺寸接近，分子尺寸的微小变化可使扩散系数显著改变。
（孔径＜1.5nm）
扩散阻力与分子形状、临界尺寸、分子与孔壁的相互作用、分子的旋转和扭转等多种因素有关。
④表面扩散
13.固体表面性质
固体表面的原子：
存在自由价，表面不饱和位，具有趋向于饱和的性质；
吸附质分子与吸附剂表面自由价相互作用；
固体表面自由能减小
固体表面自由能：
处于平衡态的凝聚物质，其形状倾向于具有尽可能小的表面积，使表面自由能趋向于最小
固体表面的吸附：
自发过程，表面自由能减小（吸附的推动力）
14.各类化合物在不同固体表面的吸附态
（1）氢的吸附态：
（2）氧的吸附态：
负离子态：
O2-*,O22-*,O-*,O2-*，分子氧：
O2*，不稳定的O3-*
（3）氮的吸附态：
二位吸附和多核吸附，低温：
二位吸附
（4）CO的吸附态：
线形结构、键合、桥式结构、孪生吸附
（5）烃类的吸附态：
饱和烃（CH4）：
解离吸附、不饱和烃：
非解离吸附为主
15、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）最常用的方法：
N2吸附法
3）BET理论假设：
固体表面均匀；
吸附脱附不受周围分子影响；
由于范德华力，不一定第一层吸满后才发生多层吸附。
（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。
16.金属催化剂的特性
多为d区元素（IB,VIB,VIIB,VIII族元素）
外层：
1~2个S电子，次外层1~10个d电子
未成对的d轨道，可以被S电子或p电子配对，形成化学吸附
特征：
1）裸露的表面,配位不饱和，亚稳状态
2）金属原子之间有凝聚作用（是具有导热性、导电性、延展性以及机械强度的原因，化学键非定域性并由此获得了额外的共轭稳定化能,金属很难在原子水平进行分散）
3）以“相”的形式参与反应
为何能作为催化剂：
过渡族金属有空的d轨道能够接受成对电子和共轭键，同时也能够重新恢复为空轨道。
这样就能够使得反应物间活化能降低，从而催化反应发生。
17.化学吸附与催化
逸出功Ф电子脱离金属表面所需要的最小能量；
或者能带中为最高空能级与最高填充能级的能量差。
电离势I将电子从反应物中移到外界所需的最小功。
或者反应物失去电子的难易
Ф＞I：
反应物e→催化剂正离子吸附
Ф＜I：
催化剂e→反应物负离子吸附
Ф≈I：
共价键
18.吸附强度与催化活性：
火山型
例如：
HCOOH→H2+CO2
☆IR证明生成类金属甲酸盐中间物
☆预料催化活性与甲酸盐的稳定性有关，而其稳定性与生成热有关。
☆生成热越大,稳定性越高（→吸附强弱）
☆Pt,Ir,Pd,Ru中等吸附热,高的催化活性。
即可生成足够量的表面中间物，又交易进行后续的分解反应。
19.电子因素与催化：
能带理论
原子状态：
电子层结构存在着分立的能级
晶体形式：
原子轨道发生重叠，分立的电子能级扩展为能带
电子属于整个晶体，在整个晶体中自由往来--电子共有化
电子共有化：
最外层or次外层电子比较显著。
只能在能量相近的能级上发生。
20.Fermi能级：
最高被占据分子轨道
能带理论：
能级是连续的，电子共有化。
s轨道合成的S能带相互作用强，能带宽，电子密度小。
d轨道合成的d能带相互作用弱，能带较窄，电子密度大。
电子占用的最高能级为Fermi能级。
21.过渡金属晶体的能带结构
价电子涉及到s与d能带；
s能带与d能带重叠，s能带电子可以填充到d能带中，使能量降低
22.d带空穴与磁化率
d带空穴是指d能带中未充填电子的空能级。
d带中较密集的能级间距允许电子保持不成对，饱和磁矩在数值上等于d能带中的未配对电子数。
金属的磁化率决定于未配对电子数，金属的磁化率可以表示d带空穴的大小。
23.d带空穴数与吸附热
d带空穴或空能级可以用于与吸附质键合。
Fermi能级越低，d带空穴数越大，吸附越强。
吸附时电子转移数与d带空穴约等是吸附热适中
24、金属的价键理论
认为过渡金属原子以杂化轨道相结合，杂化轨道通常为s、p、d等原子轨道的线性组合，称之为spd或dsp杂化。
杂化轨道中d原子轨道所占的百分数称为d特性百分数，表以符号d%它是价键理论用以关联金属催化活性和其它物性的一个特性参数。
金属的d%越大，相应在的d能带中的电子填充的越多，d空穴越小。
加氢催化剂一般d%在40-50%之间为宜。
d特性％－金属原子的d电子参加dsp成键轨道的程度
25.晶体结构对催化作用的影响：
几何因素
多位理论--对多位吸附,几何适应性与能量适应性的研究称为多位理论。
金属的化学吸附活性：
电子因素或者几何或集合因素
26.多位理论的几何适应性
前苏联Баландин巴兰金1929年提出
催化剂上有多个活性中心对反应物分子发生影响。
催化剂晶体晶格的空间结构（分布和间距）与反应物分子将发生变化的那部分结构呈几何对应关系时，被吸附的分子容易变形活化,即旧的化学键容易松弛，新的化学键容易形成。
因为反应物分子的原子与活性中心的原子之间的相互作用力是近距离（零点几纳米）的，几何因素影响距离，从而影响这种近距离相互作用，这成为几何对应原理。
几何因素：
吸附部位的最邻近的配位数和二维的对称性
27、金属对气体分子化学吸附强度顺序：
28、固体酸酸性来源和酸中心的形成是怎样的？
（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
29、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。
30、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。
31、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。
32、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。
33、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
34、酸碱定义
Lewis酸碱质子理论：
凡是能够提供质子的物质称为B酸,凡是能够接受质子的物质称为B碱
Lewis酸碱电子理论：
凡是能够接受电子对的物质称为酸（L酸），凡是能够提供电子对的物质称为碱
软硬酸碱理论：
不易失去外层电子的酸为硬酸（HA）,易失去外层电子的酸为软酸（SA）；
难失去电子对的碱为硬碱（HB）,易失去电子对的碱为软碱（SB）。
质子酸催化剂的反应特点：
电子成对转移（给出or获得一对电子）
35、简单固体酸与碱
✓如M的电负性相当大，对氧离子的电子对有较强的吸引作用，可使O-H键减弱，有利于按a式解离；
✓如M的电负性较小，则有利于按b式解离生成碱中心；
✓反应按a式解离还是按b式解离，主要取决于H+或OH-受体的反应物。
M-O-H类似于两性化合物：
若有碱性物质存在时按a式解离
若有酸性物质存在时按b式解离
36.电负性与酸碱性
电负性大的金属氧化物主要是酸性；
电负性小的氧化物主要是碱性
37.无定形硅铝酸盐（电负性问题）
沸石是指具有骨架型结构的硅酸盐中的硅（Si4+）
被铝（Al3+）部分取代后形成的硅铝酸盐。
38.复合氧化物固体酸和固体碱
分子筛：
分子筛组成是一种水合硅铝酸盐，M2/n▪Al2O3▪mSiO2▪pH2O
M:
金属或有机阳离子;
n:
金属阳离子价数;
m:
硅铝比;
p:
水的摩尔数
骨架结构：
分子筛骨架带负电—电平衡阳离子（通常为Na+）
酸性来源：
一般认为由分子筛重的平衡钠离子直接为质子取代而形成
39.分子筛特性：
吸附与离子交换
酸性的原因：
40.催化性质：
择形催化
（1）反应物择形催化
（2）产物择形催化
反应产物中分子临界直径小于孔径的可以从空中扩散出来，称为最终产物，而分子临界直径大于孔径的则无法从孔中逸出，而产生产物选择性。
（3）限制过渡态择形催化
当空腔中的有效空间小于过渡态所需要的空间时，反应将受阻，此时便产生限制过渡态选择性催化
（4）分子通道控制
反应物从一通道进入，从另一通道出来
如ZSM-5:
0.54nm0.58x0.52nm
直链烷烃两个通道都可通过
支链烷烃有选择
41、超强酸
指酸强度超过100%H2SO4的物质,其酸强度函数H0＜-10.6
固体超强酸SbF5,NbF5,TaF5,SO3中Sb+5,Nb+5,Ta+5,S+6具有较强的接受电子的能力
42.催化反应：
正碳离子、正碳离子反应规律、酸中心类型与催化活性、选择性的关系、
（1）正碳离子的形成
①烷烃、环烷烃、芳烃、烯烃在L酸中心上②烯烃、芳烃等不饱和烃在B酸中心上
③烷烃、环烷、烯烃、芳烃与R+的氢转移,生成新的正碳离子，并使原正碳离子转为烃类
（
（2）正碳离子反应规律
①正碳离子可以通过1-2位碳上的氢转移而改变正碳离子的位置，可反复加H+与脱H+,最后脱H+生成双键转移的烯烃，双键异构化
②正碳离子中的C-C+键为单键，可自由旋转，旋转到两边的CH3基处于相反的位置时，脱去H+,产生烯烃的顺反异构化
③正碳离子中的烷基可进行转移，导致烯烃骨架异构化
④正碳离子可与烯烃加成，生成新的正碳离子，后者再脱H+，就会产生二聚体，新的正碳离子还可以继续与烯烃加成，导致烯烃聚合
⑤正碳离子通过氢转移加H+或脱H+，可异构化，发生环的扩大与缩小
⑥正碳离子足够大时易发生β断裂,变成烯烃及更小的正碳离子
⑦正碳离子很不稳定,易发生内部氢转移、异构化或与其他分子反应，其速度一般大于正碳离子本身形成的速度，故正碳离子的形成常为反应控制步骤
（3）对于不同的酸催化反应长要求不同类型的酸中心（LorB）
不同的反应对酸强度的要求不同
需要酸强度:
骨架异构＞芳烃脱烷基＞异构烷烃裂化,双键异构＞脱水反应
许多实验证明,在一定酸强度范围,酸浓度与催化活性有很好的对应关系
总之:
调节酸的强度与浓度可以调节催化剂的活性和选择性
43、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。
44、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：
45、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。
46、原料和配料的选择原则是什么？
（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
47、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。
48、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。
49、催化剂失活的原因有哪些？
1）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。
2）中毒:
由于毒物的存在而使得催化剂失活.
3）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。
4）催化剂相组成的变化
50.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。
51.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。
52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与调节
（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。
（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。
催化剂与催化作用思考题
1.催化反应的反应热、活化能是否与非催化反应的相同？
为什么？
（1）不改变反应热：
因为催化剂只是通过改变化学反应历程来降低活化能，而化学反应前后的能量变化是由反应物和产物在反应体系中的相对能位来决定，反应物与产物的结构确定了它们的相对能位，即不改变反应物与生成物的摩尔焓，因此加入催化剂不改变反应热。
（2）降低活化能：
因为催化剂通过改变反应历程，使反应沿着一条更容易进行的途径进行。
2.催化剂能否改变化学平衡？
不会改变，因为反应终了时催化剂的化学性质没有改变,不会影响反应体系的标准自由能变化ΔG0（状态函数,决定于过程的始态与终态,与过程无关）,因而也不会影响平衡常数K。
3.影响催化剂的寿命的因素有哪些？
①化学稳定性:
化学组成与化学状态稳定，活性组分与助剂不反应与流失；
②耐热稳定性:
不烧结、微晶长大和晶相变化；
③抗毒稳定性:
抗吸附活性毒物失活；
④机械稳定性:
抗磨损率、压碎强度、抗热冲击。
决定催化剂使用过程中的破碎和磨损
4.载体在催化剂中的作用是什么？
①分散活性组分：
提供大表面和孔隙结构、节省活性组分、提高抗中毒能力、提高抗烧结能力（热量散发和移去）、提高机械强度（粘结剂）
②提供催化活性（双功能催化剂）
③调变活性相纳米粒子的结构、形貌、大小
5一个好的工业催化剂应满足哪些条件？
（1）高活性：
缓和的反应条件
低压、低温、高空速、大处理量；
降低装置造价；
降低操作费用；
提高过程经济性
（2）稳定性好：
长寿命、使用时间长
活性下降慢；
抗烧结、中毒、结焦、污染能力强；
降低催化剂费用；
（3）流体流动：
流体的分布、压力降、扩散效应
催化剂利用率和过程控制；
流体的分布：
均匀、湍流、接近活塞流
反应器与催化剂颗粒直径比5~10；
反应器长与催化剂颗粒直径比>
50~100
（4）压力降：
尽可能小
提高催化剂床层空隙
6、何为转化率、收率和比活性？
如何计算转化率、收率和选择性？
转化率：
已经转化的物料量占总进料量的比例大小
产率：
生成的目的产物量占反应物初始总量的比例
选择性：
目的产物占总产物的比例（m%,mol%）
7.说明吸附热、吸附活化能、脱附活化能随表面覆盖度变化而变化的原因？
并画出变化关系图。
（1）规律：
随着表面覆盖度的增加，吸附热见减小，吸附活化能增大
（2）原因：
1）表面不均匀性：
吸附热随覆盖程度的增加而线性下降，表面上各吸附位不是能量均等的，吸附的分子之间有相互作用，先吸附的分子总是吸附在最活泼、最易吸附的部位。
2）吸附
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