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有关催化剂的基本常识

有关催化剂的基本常识

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知识窗
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发布时间:
2010-12-29
  又称触媒,一类能改变化学反应速度而在反应中自身并不消耗的物质。其作用通常是加速反应,例如铁催化剂可使氮和氢转变为氨的反应大为加速,使合成氨工业成为可能。若其作用是使反应减速,则称负催化剂,如少量醇、酚或蔗糖可抑制亚硫酸钠溶液被溶于水中的氧所氧化。催化剂可以是气态物质(如氧化氮)、液态物质(如酸、碱、盐溶液)或固态物质(如金属、金属氧化物),还有些以胶体状态存在(如生物体内的酶)。在催化剂工业中,主要产品是固体催化剂。 性能 一种催化剂可使特定的反应循阻力较小的途径进行,降低所需的活化能,从而使反应加速。例如图中虚线表示反应物循非催化反应途径转变成产物,活化能为E。当存在某种固体催化剂时,其反应途径如实线所示:第一步,反应物与催化剂作用,变成吸附态的反应物,活化能为E1;第二步,吸附态的反应物转变成吸附态的产物,活化能为E2;第三步,吸附态的产物脱附,变成产物并释放出催化剂,活化能为E3。虽然这两条途径的结果相同,但在催化反应途径中,各步骤的活化能均小于非催化反应途径的活化能,故阻力较小,反应加速。在催化反应途径中,催化剂虽然参与反应,但经历特定的循环后重新被释放出来,此循环过程称催化循环。负催化剂的作用通常是能毒化反应系统中原有的催化剂或截断反应链。 催化反应和非催化反应的比较 一种催化剂只能选择性地加速某一或某些特定的化学反应,意即同一催化剂对于不同的反应具有不同的催化活性,称催化剂选择性。利用催化剂对反应的选择性来控制原料的化学转变方向,在化学工业中有重要意义。 在可逆反应中,对于正、逆反应的速度,催化剂是以同样的倍率产生影响的。所以催化剂虽然能加速化学反应,但它不能改变化学平衡常数,只能影响反应向平衡状态推进的速度。例如铂、钯催化剂可使苯加氢转变为环己烷,但在有利于脱氢反应的热力学条件下,它们亦可使环己烷脱氢成苯。 催化剂在使用过程中,因某些物理和化学作用破坏了催化剂原有的组织和构造,催化剂会降低或丧失活性,这种现象称为催化剂衰退或催化剂失活。例如反应物中的某些杂质与催化剂作用或覆盖于催化剂表面,会使催化剂中毒,导致催化剂衰退。有些催化剂失活后可以用特定的方法处理,使催化剂再生,重新恢复催化活性;有些催化剂失活后不能再生。但所有的催化剂都有一定的使用期限,称催化剂寿命。 组成 在某些反应中,单一的元素或化合物可作为催化剂;但在多数场合为了使催化剂具备特定的性能,常由几种成分配合而成。各种组分按作用的不同可分为催化活性组分、助催化剂、催化剂载体等。活性组分是使催化剂具备活性所必需的成分,例如催化加氢用的镍-硅藻土催化剂中的镍、氨合成用的Fe-K2O-Al2O3催化剂中的铁。固体催化剂是借助其表面与作用物接触才发生催化作用的,故多数为具有较高比表面积的物质。但并非固体的全部表面均具有催化活性,具有活性的部分称为催化活性中心或活性位。活性中心的组成、构造及其生成和破坏,在催化理论和实践中均具有重要意义。助催化剂是一类能改善活性组分的催化性能的物质。为了提高活性组分的分散度和利用率,并使催化剂具有一定的形状,许多固体催化剂中的活性组分是载于载体上的,如镍-硅藻土催化剂中的硅藻土即为载体。在有些工业催化剂配方中,还需要加入具有其他作用的组分,如在固体催化剂中加入提高机械强度用的粘结剂。 分类 按来源可分为生物催化剂和非生物催化剂。后者是目前大多数的工业催化剂,它们都是由人工合成的,是具有特定组成和结构的制品,多数固体催化剂还具有特定的形状。工业催化剂有两种分类法(见表催化剂分类):①按材质分类。由于活性组分为催化剂的关键组分,可按活性组分的化合状态将固体催化剂材料分类,目前主要有金属催化剂、金属氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸碱催化剂和络合催化剂等。②按功能分类。按所催化的反应过程来分类,例如用于加氢的催化剂称为加氢催化剂。此外,还有按使用领域分类的,例如石油化工催化剂、石油炼制催化剂、无机化工催化剂、环境保护催化剂等。 除直接促进化学反应的催化剂外,还有一类称相转移催化剂,具有加速不同相间物质传递的功能。在分为两相的液相反应中利用相转移催化剂可缩短反应时间,它们多数为季铵盐。例如在从甲酚和氧氯化磷合成甲酚磷酸酯时,可用氯化十六烷基·甲基铵作为相转移催化剂。 作用机理 由于催化剂对反应有严格的选择性,催化剂的应用有很强的专一性。对于催化剂的作用机理已进行了许多研究,有助于对催化剂的选择。催化剂的作用机理可分三类。①离子型反应机理。可从广义的酸、碱概念来理解催化剂的作用,所用的催化剂多数为酸、碱、盐类,如氧化铝,硅酸铝等。多数为非过渡元素的化合物,具有催化裂化、异构化、烷基化、水合、脱水等反应的功能。②自由基型反应机理。催化剂与反应物间因氧化-还原作用而使后者活化,在反应过程中涉及催化剂元素的价态变化,所用催化剂的材质多数为金属、金属氧化物、金属硫化物,如镍、铂、氧化钒、氧化铬、硫化钼等。它们多数是过渡元素及其化合物,具有催化加氢、脱氢、氧化等反应的功能。③络合反应机理。催化剂与反应物发生配位作用而使后者活化,所用的催化剂称络合催化剂。 选择催化剂的另一途径是选用具有同类功能的已知催化剂,例如已知镍为乙烯加氢催化剂,可以试用作丙烯的加氢催化剂。但由于反应的差异和催化剂的专一性,必须用实验加以验证。 有些化学过程的结果,是几种不同反应机理的反应总和,要求几种催化活性组分加以配合,以具有多种功能,称多功能催化剂。例如催化重整所用催化剂中的铂对加氢、脱氢有催化功能,氧化铝对异构化有催化功能。 在选择催化剂时还必须注意:催化剂的性能不仅取决于其活性组分,而且是各种成分的性质及其相互影响的总和,此外还必须考虑其对反应装置、反应工艺的适应性。