《催化原理》教学大纲

1《催化原理》教学大纲一、课程基本信息课程编号：02010713001D课程中文名称催化原理课程英文名称PrinciplesofCatalysis课程类别专业课适用专业材化（催化方向）开课学期第六学期总学时64学时总学分4先修课程物理化学，无机化学，有机化学课程简介本课程是材料化学专业催化方向的专业课。课程系统讲授了化学反应过程中催化作用和原理、基本概念和基本研究方法，主要内容包括：基本概念，吸附作用，气固多相催化反应动力学基础以及不同催化剂（酸碱催化剂，金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂和过渡金属配合物催化剂）的催化机理及其在实际生产过程中的应用。建议教材孙桂大等。石油化工催化作用导论[M].北京：石化出版社,2000参考资料[1]李荣生等.催化作用基础（第二版）[M]北京科学出版社,1990.[2]吴越.催化化学[M],北京：科学出版社,1995.[3]高正中.实用催化[M],北京：化学工业出版社,1996.[4]王桂茹.催化剂与催化作用(第二版)[M],大连：大连理工大学出版社,2004.二、课程教学目标1.掌握有关催化的基本概念（如选择性，活性，稳定性，外扩散，内扩散，催化循环等等）和基本理论（如催化剂的酸中心、多位理论和配位催化理论等）。2.掌握如何将理论知识和应用研究有机结合，培养学生新的思维方法和创新能力。三、理论教学内容与要求21绪论（6学时）教学内容要求程度（1）引言了解催化科学的重要性和特点；理解催化作用与热力学、动力学；掌握催化剂的作用和催化作用的体现。（2）催化作用与催化剂了解催化作用的发展；理解催化作用和催化剂的重要性质；掌握催化剂活性和选择性的各种表示方法以及它们适用的条件。（3）催化剂的一般组成了解催化剂的一般组成；掌握工业催化剂各个要求。（4）催化体系的分类了解催化学科的发展方向；掌握催化体系的各种分类法的优点掌握均相催化和多相催化的的优缺点。（5）催化学科的研究范围了解催化学科的研究内容与范围。（6）催化学科的发展了解催化学科的发展过程。2吸附作用（8学时）教学内容要求程度（1）吸附现象了解物理吸附与化学吸附的异同；掌握一些有关吸附的基本概念，催化反应与吸附的关系。（2）化学吸附强度的指标——吸附热理解积分吸附热与微分吸附热；掌握吸附热的表示方法。（3）覆盖度变化对吸附活化能和脱附活化能的影响了解覆盖度的变化与Ead与Edes的对应关系。（4）吸附的可逆性了解吸附的可逆性与不可逆性的区别。（5）化学吸附态了解研究化学吸附态实验方法，吸附态包括三方面的内容，化学吸附态决定产物；理解不同物质的吸附态，化学吸附态决定产物掌握一些常见小分子（苯，稀烃，炔烃，CO,H2）等化合物的吸附态。（6）吸附等温线了解吸附等温线类型；理解等温吸附平衡；掌握一些基本概念(如滞后环)和II型,IV型等温线特3点。（7）吸附等温方程了解非理想的吸附等温式，及Freundlich等温方程,Temkin等温方程；掌握Langmuir吸附理论及其等温方程式。（8）吸附速率与脱附速率了解程序升温脱附技术；吸附速率与脱附速率的表达式。3气固多相催化反应动力学基础（6学时）教学内容要求程度（1）多相催化反应过程掌握气固多相催化反应的完成包括的步骤及其动力学特点。（2）表面质量作用定律掌握表面质量作用定律的内容；（3）理想吸附层的速率方程了解不存在控制步骤的动力学方程，化学反应为控制步骤的动力学方程、吸附为控制步骤的动力学方程及脱附为控制步骤的动力学方程（4）两步机理模型掌握两步机理模型的两个假设，三个定理。（5）外扩散对反应动力学的影响掌握外扩散对动力学的影响。（6）内扩散对反应动力学的影响了解不同内扩散的特点及Thiele理论。(7)反应区间的识别掌握内外扩散阻滞效应的识别及消除方法。4载体和助剂（4学时）教学内容要求程度（1）助剂掌握助剂在催化剂中所起的主要作用和对活性主分的影响及如何识别结构性助剂和调变性助剂。（2）载体了解常用的一些载体的种类、性质；掌握载体的作用；掌握三氧化二铝晶形的变化。5固体酸催化剂及其催化作用（10学时）教学内容要求程度（1）酸碱催化剂的应用及其类型了解酸碱催化剂的应用，酸碱催化剂的分类。（2）酸碱定义及酸碱中心的形成了解酸碱定义；掌握一些常见化合物酸碱中心的形成（如Al2O3,分子筛）。（3）固体酸性质及其测定（固体酸性质、固体酸表面酸性质的测定）了解Hammett指示剂的胺滴定法，其它的酸测定方法。（4）固体酸性质与催化性能的关系了解酸中心类型，酸中心强度和酸中心数目与催化活性、4选择性的关系；掌握正碳离子的形成和反应机理。（5）固体酸催化剂在石油化工中的应用了解催化裂化过程对催化剂的要求和催化裂化原料的影响；掌握酸催化裂化反应热裂化的特点、氢转移反应的特点和作用、不同烃类催化裂化反应机理。（6）固体酸催化剂的失活和再生了解催化剂的失活方式、延缓失活的方法；掌握固体酸催化剂催化结焦失活机理和再生方法及注意的问题。6金属催化剂及其催化作用（10学时）教学内容要求程度（1）金属结构与催化性能关系了解金属催化剂的结构、催化作用；理解金属晶体结构及晶面原子排布；掌握多位理论的要点。（2）金属催化剂催化性能调变了解载体如何调变金属（金属—载体强相互作用)；理解载体调变金属的催化性能；掌握颗粒效应和溢出效应。（3）催化加氢了解加氢反应、加氢催化剂的活性中心；掌握催化加氢大致可以分为两类、活化不饱和化合物与活性氢之间相互适应性关系。（4）催化重整了解重整催化剂的技术进步，及重整催化剂常见的毒物，催化剂的开工和再生等；掌握催化重整的目的，原料、重整催化剂应促进的反应、催化重整动力学、烷烃芳构化的理论转化率是很高的，实际上在双功能重整催化剂上烷烃芳构化产率远低于平衡产率。Pt–Re，Pt–Sn系列重整催化剂中Re和Sn的作用；重整催化剂再生步骤；氯化和更新的作用。（5）乙烯氧化制环氧乙烷了解乙烯氧化的热力学和动力学数据，银催化剂上乙烯氧化反应机理及银催化剂调变方法。7.过渡金属氧化物催化剂及其催化作用（10学时）教学内容要求程度（1）过渡金属氧化物催化剂的表面化学和催化作用基础了解催化剂的表面几何形态和分散作用、氧物种之间的转化和催化作用；掌握过渡金属氧化物的表面与体相组成、氧化物的表面5动态学、亲电氧化和亲核氧化。（2）选择性氧化过程了解丙烯氧化制丙烯酸机理；掌握脱氢和氧化脱氢的优缺点，正丁烷氧化法催化剂及生产方法、正丁烷氧化为顺酐的反应历程。（3）脱氢和氧化脱氢了解反应工艺和催化剂；掌握丁烯氧化脱氢制丁二烯铁系催化剂失活原因。（4）加氢处理过程了解石油馏分中常见的含硫和氮化合物及加氢催化剂和加氢处理催化剂设计要求，加氢脱硫的反应机理；掌握杂环含氮化合物的加氮脱氮过程。8.过渡金属配合物催化剂及其催化作用（10学时）教学内容要求程度（1）过渡金属配合物中的配位键理论了解配位键理论和配体的分类；理解金属–配位体成键情况；掌握过度金属络合物中过渡金属原子或离子与配位原子、分子键合成的情况及各种多面体的结构。（2）过渡金属配合物的催化作用基础掌握完成过渡金属配合物所催化的反应通过的步骤、配体取代、加成活化的过程、活化分子间的反应（还原消除反应，β–消除反应）。（3）羰基合成过程了解羰基化技术进展和要求，反应过程中催化剂的循环；理解氢甲酰化过程、Reppe型羰基化过程。（4）过渡金属配合物的催化氧化过程了解瓦克工艺过程的优缺点，乙烯配合氧化为乙醛的反应机理。（5）聚合和齐聚反应过程了解乙烯齐聚的反应过程；理解α–烯烃的立体定向聚合、烯烃齐聚过程；掌握齐格勒一纳塔催化剂体系的聚丙烯过程及催化剂活性中心的形成。（6）烯烃的歧化了解烯烃的歧化机理。（7）过渡金属原子簇（自学）了解过渡金属原子簇催化剂。（8）过渡金属配合物催化剂的多相化掌握多相化方法方法。四、考核方式采用期末考试和平时考核相结合的考核方式。总成绩为100分，其中期末考试成绩占总成绩的70%，平时成绩（包括作业、出勤、课堂小测验等）占总成绩的30%。。6五、习题1.为什么说催化过程本质上是一个动力学过程？2.加氢功能催化剂往往对脱氢反应也有活性，水合功能催化剂往往对脱水反应也有活性。试给出解释。3.试比较各种表示催化剂活性方法的特点和要求。4.催化剂依照功能大致可以分为几类？5.在为某原料寻找加氢催化剂时，利用简单的反应器试验过许多样品，催化剂均是粉末或仔细研磨过的材料。每次试验均加0.1g催化剂到50ml原料内，良好搅拌，过一定时间测定H2的吸收速率。在某些情况下，如果加入两倍量的催化剂，反应速率却提高至4—6倍。这可能是什么原因。6.设反应C2H6+H2→CH3其反应历程可能是：（1）C2H6←→2CH3K1(2)CH3+H2→CH4+HK2(3)H+C2H6→CH4+CH3K3设反应（1）为平衡状态，对H作稳态处理，试证明d[CH4]/dt=2k2k1/2[C2H6]2[H2]7.光气分解的总反应为COCl2＝CO+Cl2，该反应历程为(1)Cl2←→2Cl·(2)Cl+COCl2→CO+Cl3(3)Cl3←→Cl2+Cl其中（2）为控制步骤，（1）,（3）为平衡状态，试证明反应速率方程为dx/dt＝K[COCl2][Cl2]28.为什么结构助剂不改变反应的活化能，而调变性助剂却有此功能？9.硅藻土在使用前要用酸处理的作用。10.Al2O3酸中心的形成？11.Hammett函数或酸强度函数的表示方法及意义。12.试举例说明为什么说骨架异构化反应比较困难？13.简述催化裂化催化剂积碳过程。14.催化裂化产物特点及原因。15.试举例说明催化剂的结焦量和结焦来源与分子筛结构网络中铝密度有关？16.简述固体酸催化剂失活后再生方法和注意的问题。17.举例讨论加氢催化剂的活性中心。18.双功能重整催化剂的组成及其作用。19.试说明Pt–Re系列重整催化剂中Re的作用。20.简要说明重整催化剂再生、氯化和更新的过程和要求。21.名词解释（1）羰基化过程；（2）外扩散；（3）转化频率；（4）收率；（5）调变性助剂；（6）共催化剂；（7）基元反应；（8）起始吸附热；（9）吸附等温式；（10）质量作用定律；（11）空速.22.工业上对催化剂的要求。23.均相与多相催化作用的比较。24.氧化物表面酸性（单金属和双金属）产生的原因,试举例说明并画出酸性结构简图.25.正碳离子是如何形成？并举例说明。26.氢转移反应的方式有那些？它对催化裂化有何影响？27.简述多位理论的要点。28.氧化脱氢的优点。29.配合催化活性中心活化过的分子之间或活化过的分子与外来的反应物分子之间进一步反应生成新的活化中间体或产品，从而完成一个配合催化的循环。在该反应过程中有两类反应：插入反应（或内7配位体迁移作用）和消除反应。试举例说明消除反应的类型。30.甲酸在金属上的分解反应步骤A+MD-M+1/2B(1)(2)D-MC+1/2B+Mk+1k-1式中：A—HCOOH；B—H2；C—CO2；D—-COOH；M—活性中心假定吸附符合朗格谬尔模型，（2）为控制步骤，试推导表面催化反应动力学方程式。31.内扩散阻滞效应的识别。32.重整催化剂应促进的反应有哪些？33.为什么说烷烃芳构化的理论转化率是很高的，实际上在双功能重整催化剂上烷烃芳构化产率远低于平衡产率？请举例说明。34.催化剂要活化烃类并使其进一步进行氧化反应，除了氧化还原功能外,还必须具备酸性催化功能的原因？35.举例说明氧物种在催化氧化中的作用。36.杂环含氮化合物的加氮脱氮过程有哪些？并举例说明。37.一般说来过渡金属配合物所催化的反应通过哪些步骤完成？38.在Pt/γ-Al2O3(卤化)催化剂上进行的主要反应是己烷芳构化（1）（2）（3）（4）（5）副反应是的氢解反应。试回答：（1）主反应中各分步反应的类型，所需的催化功能；（2）催化剂的类型，催化剂中各组分的作用；（3）若用Pt-Re/γ-Al2O3(卤化)催化剂，不仅提高了活性、选择性，也提高了热稳定性。试判断主反应可能的控制步骤，并解释造成上述结果的原因。