催化原理与方法复习题目

2013级催化原理与方法综述1.简述催化研究的基本思想预先研究的催化反应热力学分析；改进的催化剂收集文献，了解相关研究信息；现有催化剂的优缺点。有目的的改进设计催化剂组分催化活性的原因活性成分、载体；理论分析，权力信用选择制备方法。分析、中间产品检测催化剂制备用催化剂的表征反应器选择；活动评估。各种物理和化学方法催化剂的筛选影响催化剂的各种因素的研究温度、压力、浓度和剂量2.根据催化剂的作用机理，可以将催化体系分为哪几种？请描述它们的特点，并举例说明相关反应。根据反应机理中反应物活化的原因，催化体系可分为：(1)酸碱催化反应：反应物分子和催化剂之间的电子对转移导致反应物分子中的化学键非均相分裂，从而形成活性物种。如异构化、环化、水合、脱水和烷基化。(2)氧化还原催化反应：在反应物分子和催化剂之间发生单电子转移，导致反应物分子中的化学键均匀分裂，从而形成活性物种。如氢化反应和氧化还原。(3)配位催化反应：反应物分子和催化剂之间形成配位键，活化反应物分子。例如，乙烯聚合。3.催化剂通常由几个部分组成。简要描述他们各自的角色。催化剂通常由四部分组成：主催化剂、助催化剂、助催化剂和载体。主催化剂：在催化剂中产生活性的成分，没有它催化剂是不活泼的。助催化剂：与主催化剂同时起作用的组分。助催化剂：没有活性或活性很小，但加入少量后能大大提高催化剂的活性、选择性、使用寿命、稳定性等性能的物质。载体：携带活性成分和添加剂的物质。载体在催化剂中的作用；1.它决定了催化剂的基本物理结构和性能，如孔结构、比表面积、机械强度等。2.减少活性成分的用量，降低成本；3.提供额外的活动中心；4.提高催化剂中活性组分的抗毒性能，延长使用寿命。4.根据物质的类型，催化剂可以分为哪几种？催化剂材料类型价键催化反应例如过渡金属金属金属键氧化还原铁镍铂金属氧化物半导体离子键氧化还原V2O5氧化铜酸碱(固体、液体)绝缘体，半导体导电溶液离子键酸碱Al2O3氯化氢金属络合复杂的复杂的两者三氯化钛铝5.催化剂和催化的特点是什么？(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不能进行的反应；(2)催化剂只能加速反应至平衡，但不能改变平衡位置(平衡常数)；(3)催化剂对反应具有选择性；通过改变反应过程，降低了反应的活化能。6.评价催化剂主要性能的指标？活动：高；选择性：高；生命：漫长；价格：低。7.催化剂活性的表现是什么？开关频率；反应速率；速率常数；转化率；活化能。达到一定转化率所需反应温度。8.什么是催化剂失活？简述了催化剂失活的原因。在催化剂的实际使用过程中，其结构和组成逐渐被破坏，因此催化剂的活性或选择性逐渐降低，这称为催化剂失活。催化剂失活的原因是：首先，催化剂的化学成分发生了变化。例如，在催化剂的反应过程中，活性组分的化学物质发生变化，活性组分损失，中毒等。第二，催化剂的结构发生了变化。例如，活性组分在载体上的分散度的变化、活性组分的烧结和重结晶、碳沉积、表面覆盖、孔隙堵塞等。9.根据分子轨道理论，简要解释HF分子如何形成键。根据分子轨道理论，成键时需要满足三个原则：对称匹配原则、能量相似原则和最大重叠原则。其中，对称匹配原则是第一原则。首先，与氢原子的1s轨道匹配的氟原子的轨道有1s，2s，2px。其次，根据能量相似原理，f原子的2px轨道与h原子的1s轨道能量相似，两者的最大重叠形成HF分子轨道。10.分别从价键理论和晶体场理论解释FeF63-的磁性。价键理论：Fe3的外电子是3d5，而FeF63-是通过sp3d2杂化将Fe3离子的4s、4p和4d轨道与6个F离子结合而形成的。因此，FeF63-中的5个不成对电子具有顺磁性。晶体场理论：在周围配体电场的作用下，中心原子Fe3以相同的原始能量分裂出5维轨道，其中2个轨道能量较高(表示为eg)，3个轨道能量较低(表示为T2G)；从光谱化学序列可以看出，氟离子是弱场配体，配合物采用高自旋模式。电子尽可能占据每个空轨道，也就是说，Fe3外层的5 D电子占据5 D轨道。因此，FeF63-中的5个不成对电子具有顺磁性。11.简述非均相催化反应过程。 界面层的外表面 (1)外部扩散；(2)内部扩散；(3)吸附；(4)反应；(5)解吸；内部扩散；外部扩散12.什么是化学吸附？它和物理吸附有什么异同？化学吸附：吸附后分子结构发生变化，旧键被破坏，新键形成，如化学反应。物理吸附：吸附后分子结构变化很小，与蒸汽凝结成液体时的相变非常相似。物理吸附和化学吸附的区别；物理吸附化学吸附努力范德瓦尔斯化学键力吸附热较小，略大于液化热，取决于吸附质和吸附剂的物理性质；它总是放热的。它接近化学反应的热量，其中大部分是放热的。吸附速率不需要活化能；它很快，有时会受到扩散的影响(毛孔细小而缓慢)根据活化能的大小，可分为活化能吸附(慢)和非活化能吸附(快)、低温慢和高温快。吸附温度发生在吸附质的沸点附近。它与吸附的活化能有关，通常较高。温度对吸附容量的影响吸附量总是随着温度的升高而单调下降。在吸附平衡中，吸附量随着温度的升高而降低。当不平衡时，吸附量随着温度的升高而增加。吸附层单层或多层。它与相对压力p/p0有关。当p/p0=0.1时，发生单层吸附。当p/p0=0.1-0.3时，多层吸附；当P/P0 0.3时，毛细血管凝结；当p/p0=1时，形成一整片液体单层。吸附量与吸附部位有关，不同于物理吸附的单层吸附量。可逆性可逆的可能可逆选择性无(只要p/p0足够大，这就可能发生)是的(只有当吸附质能与吸附剂形成化学键时)。)红外识别吸附质的吸收峰有一定的位移。或者吸收带的强度改变。产生新的特征吸收峰它可以用来研究催化剂的结构(总表面积和孔径分布)它与催化剂的活性直接相关，可用于研究催化剂的活性表面和活性中心结构。13.画出吸附等温线每种分类的示意图。14.简要描述朗缪尔方程所基于的模型。(1)吸附剂表面均匀，各吸附中心的能量相同；(2)吸附的分子之间没有相互作用；(3)吸附为单层吸附；(4)在一定条件下，吸附和解吸速率相等，可以建立动态吸附平衡。上述条件包括吸附热与表面覆盖率无关的含义。斜率=13.8510-3cm3，截距=0.1510-3cm-3，硅胶样品体积0.83g，Am=0.162nm2)生物等效温度方程的数学表达式是：pV (ps - p)=1V m CC - 1V m Cp附言斜率截距C - 1V m C1V m CS=Am NA 1018 m2/gV m2241416.列举三种以上催化剂的制备方法，并说明其制备过程和特点。沉淀法沉淀剂(如碱性物质)用于将可溶性催化剂组分(金属盐的水溶液)转化为不溶性化合物，然后通过分离、洗涤、干燥、焙烧、成型等工序制得成品催化剂。沉淀剂金属盐溶液沉淀洗涤干燥焙烧研磨成型活化催化剂浸泡法将载体浸泡在含有活性成分的可溶性化合物溶液中，接触一定时间除去多余的溶液，然后干燥、焙烧和活化。载体沉淀(如Al2O3) 洗涤和干燥载体成型活性组分浸渍干燥煅烧和分解活化和还原负载型金属催化剂优势：1.可以使用具有确定形状和尺寸的载体，因此省略了形成催化剂的步骤2.在大多数情况下，装载的部件只分布在载体的表面，利用率高，消耗低，成本低。缺点：1.当催化剂干燥时，由于活性物质迁移到外表面，有时内表面部分上的活性物质的浓度降低，甚至载体没有被覆盖。2.活性物质在载体横截面上的均匀或不均匀分布(3)混合法活性组分与载体机械混合，轧制到一定程度，挤压成条状，最后煅烧和活化。特点：设备简单，操作方便，产品化学成分稳定；分散性和均匀性低。离子交换法一种以离子交换为主要制备步骤的催化剂制备方法；活性成分通过离子交换以阳离子的形式吸附在载体上；适用于含量低、利用率高的贵金属催化剂。本发明涉及用于具有高度分散和均匀分布的活性组分的大表面的负载型金属催化剂。(5)熔化法热熔法是将催化剂在高温下熔化，形成均匀的混合物、合金固体熔体或氧化物固体熔体。性能优异的催化剂可通过后续加工制备。特点：催化剂强度高，热稳定性好，使用寿命长。17.简述雷尼镍催化剂的制备过程。骨架催化剂是一种常用于加氢和脱氢反应的催化剂。这种催化剂的特点是金属分散性好，催化活性高。通常使用骨架镍、钴和铁催化剂。骨架催化剂也称为雷尼催化剂。骨架催化剂的制备分为三个步骤：(1)合金的制备：活性组分金属，如铁、钴、镍、铜、铬等。和非活性金属如铝、镁、锌等。在高温下形成合金。(2)合金的成分直接影响破碎的难易程度。(3)合金的溶解溶解不活泼的金属。苛性钠最常用来溶解这些金属。18.列出多相催化剂的三种以上表征方法，并解释每种表征方法的目的。x光衍射，(1)识别催化剂的相结构并对相进行定量分析；分析催化剂制备或使用过程中的相变；(3)结合其他表征手段，如差热分析、热重分析、红外光谱等。并结合催化反应数据，分析相和反应特性之间的关系。NH3程序升温脱附，它主要用于研究吸附质与吸附剂或催化剂之间的相互作用，并能获得催化剂的表面性质、活性中心、表面反应等方面的信息。差热分析，峰值温度可用作定性基础来识别物质或其变化。拉曼光谱和红外光谱分子振动和旋转光谱都可以获得，但拉曼活性只能在分子极化率改变时产生。对于红外光谱来说，只有当分子的偶极矩发生变化时，才能产生红外活性，因此两者在一定程度上是互补的，不能相互替代。红外光谱适用于分子端基的识别，激光拉曼光谱适用于分子骨架的确定。它给出了红外光谱无法观察到的低频振动信息，并且不受水的影响。它可以用来表征水溶液和固体催化剂。震相识别催化剂物理性能的测定颗粒(或颗粒)尺寸和分布的测定孔隙结构观察研究了负载型催化剂的金属分散性催化剂制备工艺的研究催化剂失活与再生的研究19.简述程序升温脱附(TPD)的操作过程。吸附剂和载气：高纯氮气(氩气、氦气)、氨气该方法的要点如下：(1)样品制备：粉碎过筛40-60目，0.1-0.2g；催化剂片剂；(2)热清洗和预处理以净化样品表面；(3)吸附氨并确定化学吸附饱和度；(4)除去所有非化学吸附的氨气；(5)在一定升温速率下，在稳定的载气流中进行程序升温脱附；注意样品的热稳定性。20.请列举几种常用的固体催化剂表面酸碱性分析方法，并指出它们各自的优缺点。(1)指示剂吸附显色法：根据各种指示剂在不同酸碱度范围内的变色原理进行测量。缺点：乙醇酸和乙醇酸的强度无法区分。(2)气态碱性物质的解吸方法：酸性越强，碱性物质的解吸越难。本发明的优点是：该方法可以原位进行，设备简单，重复性好，可以同时获得固体催化剂的表面酸量、酸强度、酸强度等信息；(3)量热法：根据酸越强，由于对碱性物质的作用而释放的热量越多的原理。本发明的优点是可以定量测量表面酸的酸量和酸强度；缺点：仪器昂贵且复杂，实验时间长，不能直接区分乙醇酸和乙醇酸，吸附热源复杂。(4)红外光谱：固体酸表面的酸性部位通常是催化剂等的活性部位。利用红外光谱，可以研究固体表面的酸性，并且可以确定表面上的酸性位点是L酸还是B酸。L酸位的特征吸收峰为1450cm-1，B酸位的特征吸收