催化化学习题及答案

一、基本概念题1.催化剂的比活性：催化剂的比活性是相对于催化剂某一特定性质而言的活性。例如：催化剂每m2的活性。2.催化剂的选择性：催化剂有效地加速平行反应或串联反应中的某一个反应的性能。3.催化剂的机械强度：固体催化剂颗粒抵抗摩擦、冲击和本身的质量以及由于温变、相变而产生的应力的能力，统称为催化剂的机械强度。4.催化剂的密度：实际催化剂是多孔体，成型的催化剂粒团体积包括颗粒与颗粒之间的空隙V隙、颗粒内部实际的孔所占的体积V孔和催化剂骨架所具有的体积V真，即V堆＝V隙+V孔+V真。（a）堆密度；（量筒）（b）颗粒密度；（压汞法）（c）真密度（氦气法）5.催化剂的比表面：通常以1g催化剂所具有的总表面积m2/g6.催化剂的比孔容：1g多孔性固体催化剂颗粒内部所有孔道的总体积。ml/g7.催化剂的孔隙率：多孔性固体催化剂颗粒内部所有孔道的总体积占催化剂颗粒体积的百分数。8.催化剂的孔分布：除了分子筛之外，一般催化剂中的孔道直径大小不一。不同大小的孔道占总孔道的百分数称为孔分布。不同范围的孔径(r200nm称大孔，r＜10nm微孔，r为10~200nm过渡孔)有不同的测定方法。9.催化剂的平均孔半径：一般固体催化剂(分子筛除外)中孔道的粗细、长短和形状都是不均匀的，为了简化计算，可以把所有的孔道都看成是圆柱形的孔，并假定其平均长度为L，平均半径为r。10.催化剂中毒：催化剂在使用过程中，如果其活性的衰退是由于反应介质中存在少量杂质，或是由于催化剂在制备时夹杂有少量杂质而引起的，则称为催化剂的中毒。11.催化剂的寿命：催化剂在实际反应条件下，可以保持活性和选择性的时间称为催化剂的寿命。12.催化剂的活化：催化剂在投入实际使用之前，经过一定方法的处理使之变为反应所需的活化态的过程。13.转化数：单位活性中心在单位时间内进行转化的反应分子数14.转化率：反应物在给定的反应条件下转化为产品和副产品的百分数15.产率：反应产物的量相对于起始反应物总量的百分数产率、选择性和转化率三者的关系为：产率＝选择性*转化率16.时空产率：催化反应中，反应物在单位时间内通过单位体积的催化剂所得某一产物的量。17.空速：单位时间内通过单位体积(或质量)催化剂的反应物体积(或质量)。单位：时间-1（GHSV）18.化学吸附：在吸附剂(催化剂)与吸附物(反应物)之间发生电子转移现象的吸附。19.覆盖率：催化剂表面被反应物分子吸附后。固体表面被覆盖的百分数。20.转换频率：(TOF）每个表面原子在单位时间内的活性。21.催化裂化：催化裂化是指石油的高沸点馏份（重质油）在催化剂存在下裂化为汽油、柴油和裂化气的过程。22.催化重整：催化重整是指在催化剂存在下使原油蒸馏所得的轻质油馏份转变为富含芳烃的高辛烷值汽油并副产液化石油气和氢气的过程，这过程包括异构化、环化脱氢等反应。23.加氢处理：加氢处理是加氢除去石油馏份中的S，N和O的过程，主要应用于催化重整和催化裂化的原料的脱硫和脱氢以利进一步加工。二、填空题1.在评价一个催化剂时，通常认为有四个最重要的因素，它们分别是：活性，选择性，寿命与价格。2．在多组分固体催化剂中，各种组分起作不同的作用，大体分为三类，它们是活性组分、载体和助催化剂。3.按照催化应体系物相的均一性分类，包括均相催化，多相催化和酶催化。4.金属元素的单质结构形式有立方面心，立方体心，六方堆积。5.实验室反应器按操作方法可分为两大类，一类是间歇式，一类是连续式。6.催化剂的寿命曲线一般可分三个部分：成熟期，稳定期，衰老期。7.n型氧化物的电导由导带中的电子数决定；而p型氧化物的电导则由价带中的空穴数所决定。8．根据吸附剂与吸附质的作用力不同，将吸附分为物理吸附和化学吸附两类，化学吸附按活化能大小又可分为活化吸附和非活化吸附。9．物理吸附可以达到多层吸附；而化学吸附只能为单层吸附。10．金属盐的沉淀过程分三阶段进行，即过饱和、成核和长大。11.催化剂经过一定处理又恢复了活性，这一过程称为催化剂的再生。14.反应前后，键能和由大变小则吸热，由小变大则放热。15.根据吸附质与吸附剂之间的电子云分配不同，吸附键可分为共价键，离子键和，极性键。16.影响不同晶面暴露的比例的因素有二：一是动力学，另一是热力学17.物理吸附的作用力是范德华力，化学吸附作用力是价键力；物理吸附是非选择性的，化学吸附是有选择性的。18.影响吸附质与吸附剂之间化学作用力主要因素有电子因素和几何因素。20.在催化剂制备中，将氧化物分散于大表面积载体的方法有沉淀、吸附、离子交换和浸渍。22.催化剂失活的化学原因主要有结焦、金属污染和毒物吸附。23.催化剂的常用制备方法有浸渍法、沉淀法、离子交换法、混合法、热熔融法、锚定法及其他方法。24.分子筛催化剂的择形催化作用有反应物择形催化、过渡态限制择形催化、产物择形催化和分子交通控制择形催化。三、是非题1.催化剂能够影响平衡常数（非）2.催化剂存在下，k正的增加倍数大于k逆。（非）3.加速反应但不参加反应者非催化剂。（是）4.凡是多相催化过程，至少有一个反应物在催化剂表面吸附。（是）5.物理吸附部是放热的，化学吸附总是吸热的。（非）6.载体使催化剂增大了活泼表面，降低了它对毒物的敏感性。（是）7.物理吸附热通常比化学吸附热大。（非）8.化学吸附具有选择性。（是）9.反应前后，键能和由大变小则吸热，由小变大则放热。（是）10.氧总是以负离子的形式化学吸附。（是）11.化学吸附是单层吸附。（是）12.表征一个催化剂的活性是指在给定的条件下，定量地测定一个催化剂促进某种化学转化的能力。（是）13.载体的最重要功能是分散活性组分，使活性组分保持大的表面积。（是）14.催化剂煅烧时会使平均孔径增大。（是）15.均相催化中，质量传递过程在动力学上占重要地位。（非）16.BET方程是基于多分子层吸附理论模型。（是）17.离子交换法比沉淀法可制得更高含量的金属负载型催化剂。（非）18.吸附等温线是在恒定温度下饱和吸附量与被吸附气体压力的关系曲线。（非）19.氮吸附法适用于半径为1.5~20nm的孔径测定。（是）20.在沉淀法制备催化剂时以尿素代替常用的碱是为了得到颗粒大小宽分布的催化剂。（非）21.合成氨反应中，硫化氢对铁催化剂的中毒是可逆中毒。（非）三、简答题1.多相催化反应通常包括哪个连续的步骤？（1）反应物分子从气流中向催化剂表面和孔内扩散；（2）反应物分子在催化剂内表面上吸附；（3）吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用进行化学反应；（4）反应产物自催化剂内表面脱附；（5）反应产物在孔内扩散并扩散到反应气流中去。2.试比较物理吸附与化学吸附。物理吸附是借助分子间力，吸附力弱，吸附热小（8-20kJ/mol），且是可逆的，无选择性，分子量越大越容易发生。化学吸附是借助于化学键力，遵从化学热力学和化学动力学的传统定律，具有选择性特征，吸附热大（40-800kJ/mol），一般是不可逆的，尤其是饱和烃分子的解离吸附。3.固体表面发生化学吸附的原因是什么？表面反应与化学吸附的关系是什么？发生化学吸附的原因，是由于位于固体表面的原子具有自由价，这些原子的配位数小于固体内原子的配位数，使得每个表面原子受到一种内向的净作用力，将扩散到其附近的气体分子吸附形成化学键化学吸附是表面反应的前提。化学吸附的表面物种在二维的吸附层中并非静止不动的，只要温度足够高，它们就成为化学活性物种，在固体表面迁移，随之进行化学反应。表面反应要成功进行，就要求化学吸附不宜过强，也不能过弱。4.简述为了说明吸附热随遮盖率而下降的原因：答:（1）表面不均匀性；（2）吸附种之间的相互作用；（3）使用固体中不同的电子能级。5.请简要叙述沸石结构的四个层次第一个结构层次：硅氧四面体和铝氧四面体第二个结构层次：由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥联结成的环第三个结构层次：氧环通过氧桥相互联结，形成具有三维空间的多面体，即“笼”第四个结构层次：笼与笼之间结合形成分子筛6.请按TiO4四面体画出六元环结构7.3A、4A和5A分子筛都是A型分子筛吗？它们的孔径大小分别为多少？其结构中的阳离子分别是什么？是。3A：0.3nm钾离子；4A：0.4nm钠离子；5A：0.5nm钙离子。8.X型和Y型分子筛的结构一样吗？它们的区别在哪里？其硅铝比分别是多少？不一样。区别在于硅铝比不同。X型Si/Al为1-1.5；Y型Si/Al为1.5-3.0。9.简述分子筛的主要四种催化作用（1）酸催化；（2）择形催化；（3）双功能催化；（4）催化氧化10.分子筛择形催化有哪四种不同形式（1）反应物的择形催化；（2）产物的择形催化；（3）过渡状态限制的择形催化；（4）分子交通控制的择形催化11.什么是d带空穴？它与金属催化剂的化学吸附和催化性能之间的关系式什么？金属的d带中某些能级未被充满，可看作d带中的空穴，称为“d带空穴”。有d带空穴，就能与被吸附的气体分子形成化学吸附键，生成表面中间物种，具有催化性能。d带空穴愈多，末配对的d电子愈多，对反应分子的化学吸附也愈强。催化剂的作用在于加速反应物之间的电子转移，这就要求催化剂既具有接受电子的能力，又有给出电子的能力。过渡金属的d空穴正是具有这种特性，然而对一定的反应，要求催化剂具有一定的d空穴，而不是愈多愈好12.什么是d特性百分数？它与金属催化剂的化学吸附和催化活性有什么关系。d特性百分数（d%）：杂化轨道中d原子轨道所占的百分数。d%越大化学吸附能力越强。但从活化分子的能量因素考虑，要求化学吸附既不太强，也不要太弱。吸附太强导致不可逆吸附，吸附太弱则不足以活化反应分子，所以要求d％有一定范围。广泛应用的加氢催化剂主要是周期表中的第四、五、六周期的部分元素，它们d％差不多都在40％~50％范围内。13.什么是几何对应理论，又称为什么？来解释什么？要求催化剂原子和反应物分子结构在几何尺寸上接近的理论称之为几何对应理论。14.举例说明什么是结构非敏感反应和结构敏感反应。一类是涉及H-H、C－H或O-H键的断裂或生成的反应，它们对结构的变化、合金化的变化、金属性质的变化，敏感性不大，称之为结构非敏感性反应。（eg：环丙烷在金属铂上加氢开环生成丙烷的反应：用负载于Al2O3或SiO2上的Pt微晶（1~1.5nm,D1)催化剂；与用大单晶Pt(无分散，D0)作为催化剂；所有的反应转换频率都是相同的。）另一类是涉及C-C、N-N或C-O键的断裂或生成的反应，对结构的变化、合金化的变化或金属性质的变化敏感性较大，称之为结构敏感反应。（eg：合成氨反应在使用不同金属颗粒大小时其转换频率（Vt）不相同。表明合成氨反应对Fe金属催化剂来说是一个结构敏感反应。）15.催化剂的稳定性：根据催化剂的定义，催化剂在反应前后的性质是不变的。但是实际上，催化剂在使用过程中、其活性和选择性都会逐渐下降，影响催化剂稳定性的原因是各种各样的，催化剂的稳定性可分为：(a)耐热稳定性：一种良好的催化剂，应能在高温苛刻的反应条件下长期具有一定水平的催化性能。这就要求催化剂在剧烈放热或吸热的反应过程中有良好的导热性能：有较高的热容量，有在较宽温度范围内的耐热性。(b)抗毒稳定性：催化剂对少量杂质毒化的抵制能力称为催化剂的抗毒稳定性。各种催化剂对各种杂质有不同的抗毒稳定性。同一种催化剂对同一种杂质在不同的反应条件下，也有不同的抗毒稳定性。(c)活性组分的流失：催化剂组成中的某个或某些活性组分，在长期使用过程中发生升华或发生化学反应、形成有一定蒸气压的化合物而逐渐流失，致使催化剂的功能下降，谓活性组分的流失。16.助催化剂：（助剂，促进剂）本身无活性或活性较小，加入少量后，可大大提高Cat的活性、选择性、寿命、稳定性等性能的物质。它又可以区分为：a:结构性助剂：改变活性组分的物理性能。b:调变性（电子性）助剂：改变活性组分的电子结构（化学性能）来提高活性组分的活性和选择性等的物质。c:晶格缺陷性助剂：使活性相原子排列无序化，从而使活性物质微晶间形成更多的晶格缺陷，产生了新的活性中心，使活性提高的物