本章主要內容
催化劑的基本概念和催化作用的基本特徵
催化劑的組成與功能
工業催化劑的基本要求
提高反應速度的方法
工業上的乙個化學反應，要能以一定的速度進行，即在單位時間內能夠獲得足夠數量的產品。
提高反應速度的手段：加熱的方法、光化學方法、電化學方法、催化方法（既能提高反應速度，又能控制反應方向）
催化劑是一種物質，它能夠加速反應的速率而不改變該反應的標準gibbs自由焓變化。
催化劑將反應物轉變為產物，在迴圈的最終步驟催化劑再回到其原始狀態。更簡單地說，催化劑是一種加速化學反應，而在其過程中自身不被消耗掉的物質。
許多種類物質可用來作催化劑，包括金屬、金屬化合物(如金屬氧化物、硫化物等)、有機金屬絡合物、酶或細胞等。
活性中心與轉換頻率
催化劑並非所有的部分都參與反應物到產物的轉化，因此那些參與的部分被稱為活性中心。大多數工業催化劑使用的形式是多孔小球，每乙個小球一般包含1018個催化中心。
轉換頻率是指每個催化中心上單位時間內產生的給定產物的分子數。
催化劑在更換前每個催化活性中心上的催化迴圈周轉超過十億（109)次。
催化劑是如何加速反應速率的？
無催化劑時合成氨的活化能
對於n2+3h2=2nh3反應，無催化劑存在時，在500oc、常壓條件下，反應活化能高，~334 kj/mol 。此條件下反應速度極慢，競不能覺察出氨的生成。
催化劑存在下合成氨的反應途徑與活化能
有催化劑存在下，在催化劑表面發生了如下所示的一系列表面作用過程，最後生成了氨分子。催化反應的速率控制步驟是氮解離步驟，該步的活化能~70 kj/mol 。
催化劑為反應物分子提供了一條較易進行的反應途徑。不同的催化劑的催化反應活化能可能不同。
n2+3h2=2nh3的催化反應途徑
催化作用的四個基本特徵
（1）催化劑只能加速熱力學上可以進行的反應，而不能加速熱力學上無法進行的反應。
在開發一種新的化學反應的催化劑時，首先要對該反應體系進行熱力學分析，看在給定的條件下是否屬於熱力學上可行的反應。
（2）催化劑只能加速反應趨於平衡，不能改變平衡的位置（平衡常數）。
化學平衡是由熱力學決定的
g0＝—rt1nkp ，
其中kp為反應的平衡常數，g0是產物與反應物的標準自由焓之差，是狀態函式，只決定於過程的始終態，而與過程無關，催化劑的存在不影響g0值，它只能加速達到平衡所需的時間，而不能移動平衡點。
催化劑不能改變平衡位置
-例項1
乙苯脫氫制苯乙烯，在600℃常壓、乙苯與水蒸汽摩爾比為1：9時，按平衡常數計算，達到平衡後苯乙烯的最大產率為72.3％，這是平衡產率，是熱力學所預示的反應限度。
為了盡可能實現此產率，可選擇良好催化劑以使反應加速。但在反應條件下，要想用催化劑使苯乙烯產率超過72.8％是不可能的。
例項2烷烴異構化不同異構體的辛烷值不相同
辛烷值：汽油在汽油機中燃燒時的抗震性指標 。
汽油辛烷值大，抗震性好，質量也好。
常以標準異辛烷值規定為100，正庚烷的辛烷值規定為0，這兩種標準燃料以不同的體積比混合起來，可得到各種不同的抗震性等級的混合液，在發動機工作相同條件下，與待測燃料進行對比。抗震性與樣品相等的混合液中所含異辛烷百分數，即為該樣品的辛烷值。
c5、 c6正、異構體熱力學平衡組成
催化劑也同時加速逆反應速率
根據kp=k正/k逆，既然不能改變平衡常數，它必然以相同的比例加速正、逆反應的速率常數。這個推論具有重要意義。
對於可逆反應，能催化正方向反應的催化劑，就應該能催化逆方向的反應。例如，脫氫反應的催化劑同時也是加氫反應的催化劑，水合反應的催化劑同時也是脫水反應的催化劑。這條規則對選擇催化劑很有用。
（3）催化劑對反應具有選擇性
催化劑對反應具有選擇性：根據熱力學計算，某一反應可能生成不只一種產物時，應用催化劑可加速某一目的產物的反應，即稱為催化劑對該反應的選擇性。
工業上利用催化劑具有選擇性，使原料轉化為所需要的產品。
例如，以合成氣(co＋h2)為原料，使用不同的催化劑則沿不同的途徑進行反應。
例項(見ppt)
（4）催化劑的壽命
催化劑能改變化學反應的速度，其自身不進入反應的產物，在理想的情況下不為反應所改變。
催化劑在參與反應過程中，先與反應物生成某種不穩定的活性中間絡合物，再繼續反應生成產物，催化劑恢復到原來的狀態。催化劑象這樣不斷迴圈起作用。一定量的催化劑可以使大量的反應物轉化為大量的產物。
實際反應過程中，催化劑並不能無限期地使用，在長期的反應條件下和化學作用下，會發生不可逆物理和化學變化，如晶相變化、晶粒分散度的變化、組分的流失等，導致催化劑的失活。
催化劑幾個重要的效能指標：活性、選擇性和穩定性。
工業生產更多強調的是原料和能源的充分利用。
改進型的研究，一般是追求選擇性，其次是穩定性，最後才是活性。
新催化劑及工藝的研究，則先追求高活性、高選擇性，最後才是穩定性。
催化劑活性、選擇性和穩定性的概念
活性—是指催化劑影響反應程序變化的程度。
選擇性—是指所消耗的原料中轉化成目的產物的分率。
穩定性—是指催化劑的活性和選擇性隨時間變化的情況。
活性的幾種表示方法
轉化率、時空產率、反應速率、比活性、轉換頻率、轉化率等表示法
1.轉化率表示法工業上最為常用的活性表示方法
對於a→b反應，給定溫度下所達到的轉化率可用下式表示：
xa=（反應後已轉化的a摩爾數na /進料中a的摩爾數n0a）×100%
注意：在用轉化率比較活性時，要求反應溫度、壓力、原料氣濃度和停留時間都必須相同。
規定轉化率所需的溫度和空速表示法
用完成給定的轉化率（如xa=80%）所需要的溫度來表示，溫度越低活性越高。
壓力、原料氣濃度和停留時間等條件都必須相同
用完成給定的轉化率（如xa=80%）所需要的空速表示，空速越高活性越好。反應溫度、壓力、原料氣濃度都必須相同。
單程轉化率:對一次通過催化劑的轉化率稱為單程轉化率。
有些反應因受熱力學平衡限制，平衡轉化率不高，為了充分利用原料，需將反應產物分離，然後補充新鮮原料再迴圈使用。
2.時空產率表示法工業上最為常用的活性表示方法
指在一定條件（溫度、壓力、進料組成、空速）下，單位時間內，使用單位體積v或單位質量的催化劑所能得到目的產物的量（摩爾數nb、或質量）來表示，如下式：y= nb／（v · t）
時空收率計算例子
苯加氫生產環己烷，年產15000噸環己烷的反應器，內裝有pt/al2o3催化劑2m3，若催化劑的堆積密度為0.66g/cm3，一年按300天生產計算，計算其時空產率。
yts=15000*1000/（2*300*24）
單位：kg/(m3催化劑 h)
3.轉換頻率表示法單位時間內每個活性中心轉化的分子數。
這個表示方法很科學，但測定起來卻不容易。
活性中心（部位)---固體催化劑，其表面化學性質和物理性質不同。
活性中心的測定：
金屬催化劑---利用選擇性化學吸附
酸性催化劑---用吸附鹼性分子
4.催化反應速率表示法
反應速率表示反應快慢，一般有三種表示方法。
以催化劑重量為基淮
以催化劑體積為基準
以催化劑表面積為基準
在催化反應動力學的研究中，活性多用反應速率來表達。
反應速率表示方法
a→b反應，以v、s和w分別代表催化劑的體積、表面積和重量，則以不同形式表示的反應速率r分別是：
rv=（1／v）·(dna／dt)=(1／v)·(dnb／dt) [mol·cm-3·h-1]
rs= (1/s)·(dna/dt) =(1/s)·(dnb/dtmol·cm-2·h-1]
rw= (1/w)·(dna/dt) =(1/w)·(dnb/dtmol·g-1·h-1]
5.速率常數
用速率常數比較活性時要求溫度相同。
在不同催化劑上反應，只有當反應的速率方程有相同的形式時，用速率常數比較活性大小才有意義。此時，速率常數大的催化劑的活性高。
6.比活性
對於固體催化劑，與催化劑單位表面積相對應的活性稱為比活性（α）
α=k/s
k--催化反應速度常數；
s---活性比表面積。
催化劑的比活性只取決於催化劑的化學組成與結構，而與其表面大小無關。
催化研究中常採用比活性來評選催化劑。
選擇性:穩定性和壽命
穩定性：—是指催化劑的活性和選擇性隨時間變化的情況
穩定性和壽命對於工業催化劑來說是致關重要的。
壽命：是指在指定的使用條件下，催化劑的活性能夠達到裝置生產能力和原料消耗定額的允許使用時間，可以是指活性下降後再生活性又恢復的累計使用時間。
工業催化劑的穩定性
工業催化劑的穩定性包括如下幾方面：
1)化學穩定性：保持穩定的化學組成和化合狀態。
2)熱穩定性：能在反應條件下，不因受熱而破壞其物理化學狀態，能在一定溫度範圍內保持良好的穩定性。
3)機械穩定性：固體催化劑顆粒抵抗摩擦、衝擊、重壓、溫度等引起的種種應力的程度。
導致催化劑失活的重要原因
（1）中毒；（2）積炭；（3）燒結、揮發與剝落。
中毒：催化劑的活性和選擇性由於微量外來物質的存在而下降。這種微量外來物質叫催化劑的毒物。若消除中毒因素後，活性能恢復，稱為暫時性中毒，否則稱為永久性中毒。
積炭：是催化劑在使用過程中，逐漸在表面上沉積上一層炭質化合物，引起催化活性的衰退。
活性組分的揮發、流失，負載活性金屬燒結或微晶粒子長大都會使活性不可逆的衰退。
催化劑活性所時間變化曲線
工業催化劑的壽命
工業催化劑的要求
1. 活性
2. 選擇性
3.穩定性與使用壽命
4.外形
5.抗壓碎強度
6.導熱性與比熱
7.再生效能
8.可重複性
催化劑的組成與功能
催化劑的組成
主催化劑-活性組分
助催化劑
載體主催化劑：是催化劑的主要成分--活性組分，是起催化作用的根本性物質。
例如，合成氨催化劑fe-k2o-al2o3/c 中，無論有無k2o、al2o3 ， fe總是有催化作用的，只是活性較低，壽命較短。如果沒有fe，催化劑就一點也活性沒有，fe是合成氨催化劑的活性組分。
有時主催化劑的由2種或2種以上的活性組分共同組成。如moo3-al2o3, wo3-zro2等。
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