催化作用基础多相催化作用基础;;2.1.1吸附概述
2.1.1.1吸附现象
吸附:气体(或液体)在固体表面上聚集,其浓度高于气相中该气相(或液相)主体的现象。
吸附剂:吸附其它物质的固体。
吸附质:处于吸附态的物质。
吸附态:吸附质在吸附剂表面吸附后的状态。
吸附平衡:吸附速率和脱附速率相等时,吸附剂表面上的气体浓度不随时间改变的状态。;2.1.1.2物理吸附和化学吸附;化学吸附是多相催化的必要条件
多相催化反应中,至少有一种反应物要吸附在催化剂表面上,并且吸附强度要适中。
化学吸附能够活化反应物分子,形成表面活性中间物种。催化活性与催化剂对一种或几种反应物的化学吸附能力有相关性
而物理吸附力远远小于化学键合涉及的力,因此对分子周围力场无显著影响,进而对分子反应性能无直接贡献。
但是,物理吸附可增大催化剂表面反应物分子的浓度,从而提高反应速度。并且物理吸附的反应物分子也可以作为补充化学吸附的源泉。;2.1.1.3吸附位能曲线;;H2在Ni上的吸附位能曲线;2.1.1.4吸附与催化的关系
催化反应过程中所发生的吸附必定是化学吸附。
催化剂的活性与它对一种或几种反应物的化学吸附能力有相关性。
物理吸附涉及的力远远小于化学键合涉及的力,物理吸附很难对分子周围的力场有显著影响,对分子的反应性影响小。;2.1.1.5化学吸附的分类
活化吸附和非活化吸附
活化吸附(慢化学吸附):化学吸附时需要外加能量加以活化,在位能图中物理吸附与化学吸附位能线的交点在零能级以上。
非活化吸附(快化学吸附):化学吸附时不需要施加能量,在位能图中物理吸附与化学吸附位能线的交点恰好在零能级。;;均匀吸附和非均匀吸附
均匀吸附:所有反应物分子和表面上的原子子形成具有相同吸附键能的吸附键。
非均匀吸附:当催化剂表面分子能量不同,在吸附时与反应物分子形成具有不同吸附键能的吸附键。
单纯吸附和混合吸附
单纯吸附:吸附时只有一种物质被吸附。
混合吸附:吸附时有多种反应物被吸附。;解离吸附和非解离吸附
解离吸附:许多分子在催化剂表面上化学吸附时都会产生化学键的断裂,因???这些分子的化学键不断裂就不能与催化剂表面吸附中心进行电子转移或共享。
如:氢与饱和烃在金属上的吸附
均裂:吸附中间物种为自由基(原子)
异裂:吸附中间物种为离子基(正、负离子)
缔合吸附(非离解吸附):具有π电子或孤对电子的分子可以不解离就发生化学吸附。
如:乙烯在金属上的吸附,碳原子从sp2变成sp3,产生两个自由价,与金属表面吸附位相作用。;均裂解离吸附和非均裂解离吸附
均裂:吸附中间物种为自由基(原子)
异裂:吸附中间物种为离子基(正、负离子)
氧化解离吸附和还原解离吸附
氧化解离吸附:吸附质在吸附时接受电子对。
还原解离吸附:吸附质在吸附时给出电子对。
;2.1.2化学吸附态
吸附态:吸附质在固体催化剂表面吸附以后的状态。
吸附中心(吸附位):吸附发生在吸附剂表面的局部位置。
吸附态包括三方面内容:
被吸附的分子是否解离。
催化剂表面吸附中心的状态是原子、离子还是他们的基团。
吸附键是共价键、离子键获配位键。;2.1.2.1H2的化学吸附态
;;多种吸附态:若氧分子与一个金属原子的吸附中心发生作用,则形成O2-阴离子吸附态,属于分子型;若氧分子吸附在两个相邻的金属原子上,则形成O-阴离子吸附态,属于原子型;若O-继续与相邻金属的吸附中心作用,则形成O2-离子。
多种吸附态:电中性的氧分子O2和带负电荷的氧离子(O2-,O-,O2-);金属表面:分子态吸附,或解离吸附。其分子吸附态有:;金属氧化物表面:以σ键结合,属于不可逆吸附;;;2.1.2.6烯烃的化学吸附态;金属氧化物表面:烯烃作为电子给予体吸附在金属氧化物的金属离子上,属于缔合吸附。;2.1.2.7炔烃的化学吸附态;2.1.2.9饱和烃的化学吸附态;2.2多相催化中的扩散;扩散的三种类型
分子扩散(Bulkdiffusion)
努森扩散(Knudsendiffusion)
构型扩散(Configurationaldiffusion);;2.2.2.1外扩散的影响
;2.2.2.2内扩散的影响
;Knudsen扩散:扩散系数D与浓度无关,取决于温度和孔径。
分子扩散:由于阻力主要来自于分子碰撞,D与1/C成正比。;对反应速率常数的影响
对表观活化能的影响;对反应选择性的影响
两个独立并存的反应
快反应的选择性高。
内扩散控制时,有利于慢反应的选择性的提高。因为内扩散的影响,使快反应速率常数降低的程度更大。
若主反应的速率常数小于副反应的速率常数,应采用小孔径结构的催化剂。;对反应选择性的影响
平行反应
相同级数的平行反应,