催化剂的作用及在绿色化学的作用.doc

精品文档二、催化剂在化学反应中的作用以及催化科学和技术对绿色化学发展的重要作用 评分标准：1.催化剂可以加快热力学上可能进行的反应的速率，可控制反应产物化学物种的选择性控制产物的立体规整结构，定向不对称合成旋光异构体丙烯酸+氢 生产与温度控制化学物种选择性，与接触时间共同控制产物化学物种选择性,具有高度专一性，高选择性，高的反应物转化率和反应的原子经济性的特殊功能的分子机器。（50分）2.催化科学和技术在绿色化学发展中有重要作用。在污染防治（减少和消除发电厂的废气以及汽车尾气中NOx的排放；减少挥发性有机溶剂的使用等；）活化新的反应原料，催化与反应过程的改善等方面都有重要应用。（50分）催化剂的作用及在绿色化学的作用摘要本文主要阐述了催化剂和催化反应的概念，发展历史，主要特点等。以及催化剂在绿色化学中所起的催化作用和所作的研究，以及成果。关键词 催化剂 催化反应 绿色化学1催化剂及催化反应发现的历史催化剂最早由瑞典化学家贝采里乌斯发现。一百多年前，有个魔术“神杯”的故事。有一天，瑞典化学家贝采里乌斯在化学实验室忙碌地进行着实验，傍晚，他的妻子玛利亚准备了酒菜宴请亲友，祝贺她的生日。贝采里乌斯沉浸在实验中，把这件事全忘了，直到玛丽亚把他从实验室拉出来，他才恍然大悟，匆忙地赶回家。一进屋，客人们纷纷举杯向他祝贺，他顾不上洗手就接过一杯蜜桃就一饮而尽。当他自己斟满第二杯酒干杯时，却皱起眉头喊道：“玛利亚，你怎么把醋拿给我喝！”玛利亚和客人都愣住了。玛丽亚仔细瞧着那瓶子，还倒出一杯来品尝，一点儿都没错，确实是香醇的蜜桃酒啊！贝采里乌斯随手把自己倒的那杯酒递过去，玛丽亚喝了一口，几乎酸的吐了出来，也说：“甜酒怎么一下子变成醋酸啦？”客人们纷纷凑近来，观察着，猜测着这“神杯”发生的怪事。 贝采里乌斯发现，原来酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，发现手上沾满了在实验室研磨白金时给沾上的铂黑。他兴奋地把那杯酸酒一饮而尽。原来，把酒变成醋酸的魔力是来源于白金粉末，是它加快了乙醇和空气中的氧气发生化学反应，生成醋酸。后来，人们把这一作用叫做触媒作用又叫催化作用，希腊语的意思是“解去束缚”。 1836年，他还在物理学与化学年鉴杂志上发表了一篇论文，首次提出化学反应中使用的“催化”与“催化剂”概念。2.催化反应2.1按照催化反应中的作用情况，可以分为生物催化（酶催化）和非生物催化（化学催化），按照另一种分类方法催化体系来分类的话，可以分为：均相催化反应：催化剂与反应物处于同一相，没有界面分开。气相反应；液相反应；固相反应。（2）多相催化反应：催化剂与反应物处于不同相，催 化反应在界面进行。气固相反应；气液固相反应；固液相反应。2.2反应机理中反应物被活化的起因2.2.1酸碱催化反应：反应物分子与催化剂之间发生电子对的转移而使反应物分子中化学键进行非均裂，从而形成了活性物种。如：异构化、环化、水合、脱水、烷基化。2.2.2氧化还原催化反应：反应物分子与催化剂之间发生单电子的转移而使反应物分子中化学键进行均裂，从而形成了活性物种。如加氢反应、氧化还原。2.2.3配合（位）催化反应：反应物分子与催化剂之间形成配位键而使反应物分子活化。乙烯聚合，乙烯与金属络合物催化剂形成-键，相当于乙烯分子中成键轨道的电子部分转移到反键轨道，从而削弱了分子的双键，使键得到活化。2.2.4有些催化剂上，上述反应可同时存在，如：双功能Pt/Al2O3，异构化、加氢反应。3.催化剂3.1催化剂的分类3.1.1按催化过程：.均相催化剂； .多相催化剂。3.1.2按催化反应类型：.氧化还原催化剂； .酸碱催化剂； 配位催化剂。3.1.3按物质的类型：过渡金属催化剂：具有易转移的电子，很容易发生电子的传递过程； 金属氧化物催化剂中金属可变价，既可还原又可氧化，对氧有亲和力，不适合作加氢催化剂，硫化后可作HDS,HDN（加氢脱硫、脱氮）等催化剂；酸碱催化剂：用于烷基化、烃类裂解、脱水；金属络合物催化剂：用于羰基化，烯烃聚合，甲酰化。根据以上所述，可以得到一副简洁的表格催化剂物质类型价键催化的反应举例过渡金属金属金属键氧化还原Fe，Ni，Pt金属氧化物半导体离子键，共价键氧化还原V2O5，CuO,WS2酸碱（固液）绝缘体，半导体，导电溶液离子键，共价键酸碱Al2O3，SO4/TiO2，HCl金属络合络合物配合物两者兼有TiCl3+ AlR34.催化剂在绿色化学反应中的作用4.1广义催化剂的定义：能改变化学反应速度，而本身在反应前后变化不大的物质。此种表述不完善。作为反应物，乙烯和氧气反应，使用不同催化剂时产物不同（PdCl2-CuCl2做催化剂时产物为乙醛，银催化剂时产物为环氧乙烷）；又如乙烯聚合，使用不同催化剂所得产物的规整度不同。也就是说，同一原料用不同催化剂，可产生不同产物，这说明催化剂能控制对产物的选择性。并且，乙烯聚合反应中，催化剂在反应过程中和产物包在一起，反应结束后无法从产物中取走，说明催化剂不是没有明显消耗的物质。那么就可以重新确定催化剂的定义了；自身在化学反应方程式中并不出现，但可以控制反应的速度、选择性和产物的立体规整性的物质。4.2催化剂的选择性：衡量催化剂加速某一反应的能力，催化剂的好坏用选择因子来衡量，但反应类型不同，选择因子的表示式不同。第一种选择性：同一原料在同一催化剂上有几个反应方向， 等于生成物的比，越大主产物越多，选择性越好 。第二种选择性：两种物质的混合物，同时经由同一种催化剂，分别生成两种不同产物， 越大并不意味着相对选择性就好，一定要控制好反应时间。第三种选择性：对于连串反应来说，中间的产物的收率在某一最终产物收率下有最大值。4.3选择性的解释不同的化学反应，之所以有上述不同的选择性，原因如下：4.3.1机理不同：第一种选择性称为机理选择性。如间二乙苯在酸性介质中的反应，原料和H+反应可生成同一过渡态，而后由于不同的机理使该过渡态按两种不同途径进行反应，一种是异构化反应生成对二乙苯，一种是脱烷基而生成乙苯。4.3.2.热力学行为不同：对第二、三种选择性，影响选择性的因素是热力学引起的，所以叫热力学选择性。如乙炔、乙烯加氢单独进行时，乙烯的加氢速度大；而当乙炔与乙烯混合后再加氢，结果则相反。原因是乙炔在催化剂活性中心的吸附在热力学上优于乙烯，使乙烯在此条件下不能被催化剂活性中心所吸附。4.3.3.催化剂的孔结构反应物在催化剂孔内的扩散过程成为控制步骤时，影响选择因子。如有不同反应物，改变催化剂的孔径和颗粒大小，选择因子会相应地变化。4.4使用无毒无害的催化剂的目标催化剂的合理选择和应用是化工过程中最关键的技术之一。使用新的反应原料就必须新的催化剂来活化，传统的催化剂应进行改进，使其选择性、与反应体系的相容性清洁性都进一步提高。现在以邻苯二酚生产方法为例：新的生产工艺采用酶E.Coli作催化剂，它能使葡萄糖活化，定向地转化为邻苯二酚。这种新工艺避免了风险原料和试剂的使用也不产生副产品或废弃物。由于催化剂在绿色化学中有重要地位，传统工艺的改造需要催化剂，新的工艺同样需要新催化剂，因此，如何设计高效无害催化剂也就成了绿色化学研究的重要内容之一。当前设计和开发的新型催化剂有以下几种类型：分子氧气化催化剂、新型分子筛催化剂。4.5采用无毒、无害的催化剂已经取得的成就 目前烃类的烷基他反应一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液体催化剂共同缺点是，对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、 污染环境。为了保护环境。多年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃他技术引人注 目，这种催化剂选择性很高。乙苯重量收率超过99.6%。而且催化剂寿命长。还有一种生产线性烷基苯的固体酸催化剂替代了氢氟酸催化剂，改善了生产环境，已工业化。在固体酸烷基化的研究中。还应进一步提高催化剂的选择性。以降低产品中的杂质含量; 提高催化剂的稳定性。以延长运转周期;降低原料中的苯烯比。以提高经济效益。异丁烷与丁烯的烷基化是炼油工业中提供高辛烷值组分的一项重要工艺。近年新配方汽油的出现，限制汽油中芳烃和烯烃含量更增添了该工艺的重要性。目前这种工艺使用氢氟酸或硫酸为催化剂。 5结束语开发和应用绿色化学工艺，已成为现代化学工业的发展趋势和前沿技术，是实现可持续发展的关键。曾为人类文明做出过不可磨灭贡献的有机化学化工，在21世纪，依然面临着新的机遇和挑战。有机化学应该发展“理想的”合成方法，即强调实用的，环境友好的，资源可持续利用的，它从简单易得的原料出发，在温和的条件下经过简单的步骤，快速、高选择性地转化为目标分子。这就需要化学家从理念、原理、方法等方面进行改革和创新，原子