工业催化习题整理-

工业催化原理课后习题汇编1.1、论述催化剂是如何加速反应速率的？催化剂可使化学反应物在不改变的情况下，经由只需较少活化能的路径来进行化学反应。因而加快了反应速率。1.2、催化作用有哪些基本特征？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无法进行的反应。2)催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡的位置（平衡常数）。3)催化剂对反应具有选择性。4)实际上催化剂并不能无限期地使用，在长期受热和化学、物理作用下，会发生不可逆的变化，这将导致催化剂活性下降，最终导致催化剂失活。1.3、说明催化剂为什么不能改变平衡反应的平衡位置？对于给定的反应，在已知条件下，其催化和非催化过程的-△G0r值是相同的，即Kf值是相同的，所以平衡位置没有改变。另一种答案：化学平衡是由热力学决定的，lnpGRTkD=-，其中pk为反应的平衡常数，G是产物与反应物的标准自由焓之差，是状态函数，只决定于过程的始终态，而与过程无关。催化剂的存在不影响G值，它只能加速达到平衡所需的时间，而不能移动平衡点。1.4、具有加氢功能的催化剂往往对脱氢反应也有活性。试给予解释。根据Kf=,催化剂可以以相同的比例加速正、逆反应的速率常数。因此，对于可逆反应，能够催化正方向反应的催化剂，就应该能催化逆方向反应。2.1、通常固体催化剂有哪几个部分组成的？载体和助催化剂的功能分别是什么？通常估计催化剂由活性组分、载体和助催化剂三个部分组成。（1）载体：载体是催化剂活性组分的分散剂、黏合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。（2）助催化剂：本身没有活性或者活性很小，但加入到催化剂中后，可以改变催化剂的化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分散状态、机械强度等，从而提高催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命。3.1、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。3.2、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。3.3、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。3.4、金属表面上甲烷和氢分子的吸附，只能形成解离型化学吸附，为什么？因为分子氢、烃分子在吸附之前先必须解离，因为很多这类分子不能直接与金属的“表面自由价”成键，必须先自身解离，成为有自由价的基团，所以只能形成解离理化学吸附。3.5、如何判断一个催化反应是存在内、外扩散的控制？如果反应物流量的改变对反应物的转化率影响较大，则存在外扩散控制；如果催化剂的粒径大小的改变对转化率的影响较大，则存在内扩散控制。4.1、试叙述固体表面酸中心类型测定方法以吡啶作吸附质的IR谱法（1）L酸的红外光谱特征峰：1450cm-1、1490cm-1和1610cm-1（2）B酸的红外光谱特征峰：1540cm-15.1、请简要叙述沸石结构的三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5.3、A型、Y型和ZSM-5型沸石的骨架结构中最大窗孔分别是由几元环组成的，其孔径大小分别为多少？为什么它们的孔径大小与相应多元环的临界直径有差异A型：八元环0.41nm；Y型：十二元环0.74nm；ZSM-5型：十元环0.55-0.6nm。由于多元环上的原子并不都是位于同一平面上，有扭曲和褶皱。5.4、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。5.5、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。5.7、依形态结构划分，金属催化剂可分为哪几种类型？（1）块状金属催化剂；（2）负载型金属催化剂；（3）合金催化剂；（4）金属簇状物催化剂5.8、金属催化剂主要催化哪些类型的反应？（1）加氢反应；（2）重整（异构）反应；（3）氧化反应；（4）汽车尾气处理6.2、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6.3、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7.1、依形态结构划分，金属催化剂分别有哪五种类型？1）块状金属催化剂；2）分散或负载型金属催化剂；3）合金催化剂；4）金属互化物催化剂；5）金属簇状物催化剂。7.2、简述金属催化剂可以发生的四种反应类型。1）加氢反应；2)氧化反应；3）重整反应；4）氢醛化反应7.3、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7.4、为什么金属催剂都是过渡金属？金属催化剂主要是过渡金属，特别是VIII族金属。这与金属的结构、表面化学键有关；过渡金属是很好的加氢、脱氢催化剂，H2很容易在金属表面吸附，吸附反应不会进行到催化剂的体相；一般金属在反应条件下很容易被氧化到体相，不能作为氧化反应催化剂，但贵金属(Pd,Pt,Ag,Au等)能抗拒氧化，可作为氧化反应催化剂；8.1、金属催化剂为什么大多数制备成负载型催化剂？负载型催化剂中金属分散度的定义是什么？因为金属催化剂尤其是贵金属，价格昂贵，将其分散成微小的颗粒附着在高表面积和大孔隙的的载体上，可以节省用量，增加金属原子暴露于表面的机会。金属的分散度：金属在载体上微细程度。D=ns/nt=(表面的金属原子数/总的金属原子数）/每克催化剂8.3、请说明双金属催化剂的主要类型和用途。第一类，第VIII族和IB族元素组成的双金属系，如Ni-Cu，Pd-Au等合金；主要用于烃的氢解，加氢和脱氢等反应；第二类，两种IB族元素组成的，如Ag-Au,Cu-Au等合金，用于改善部分氧化反应的选择性；第三类，两种VIII族元素组成的，如Pt-Ir,Pt-Fe等合金，用于增加催化剂活性的稳定性。重整催化剂Pt-Ir较之Pt的稳定性大大提高，原因：Pt-Ir形成合金减少表面烧结；Ir有强的氢解活性，抑制了表面积炭的生成。8.4半导体ZnO在氧气吸附之后电导比未吸附前低，现用ZnO作为CO氧化催化剂，反应时催化剂的电导增加。请问（1）若O2的吸附为控制步骤时，（2）若CO的吸附为控制步骤时，分别提出增加催化剂的活性的措施。、解：根据半导体能带理论，ZnO是N型半导体，（1）O2的吸附为控制步骤时，O2得电子过程，应添加施主杂质，如Al3+等。（2）CO的吸附为失电子过程，应添加受主杂质如Li+。选择题整理：1、沉淀法制备催化剂过程中，经常要在恒温水浴中不断搅拌下进行，其原因在于（）A：控制表面反应，过饱和度；B：控制和调整表面反应和扩散速度；C：有利于晶核生长，获得大晶粒。4、对于半导体催化剂ZnO引入少量的Al3+后，费米能级出现A：上升；B：下降；C：不发生变化。5、催化剂的焙烧温应当如何确定更好些A：由反应温度和载体最高耐热温度；B：活性组分起活性作用的最好成相温度和反应温度；C：由载体与活性组分所能承受最高的平均温度来确定。6、对于贵金属负载型催化剂，金属晶粒粒径大小对催化性有很大影响，在同样的热处理条件下列哪种制备方法金属的粒径更小，分散性更好A：浸渍法；B：离子交换法C：两种方法几乎没区别7、对于负载型金属催化剂来说，为获得高分散微晶金属催化剂，在制备过程中，通过对负载在载体上的金属氧化物还原过程控制来获得最佳的金属粒径是十分重要的方法。下列哪种操作过程是正确的A：在中低温下利用还原气体进行还原，还原气体的空速相对较高。B：加入一些水蒸气，同时升高还原温度，并在低空速下使还原气体充分与氧化物接触；C：还原并先用N2气先尽量催化剂中水分吹走，在不发生烧结的情况下尽量提高还原温度，同时加大还原气空速。9、催化剂焙烧温度的确定依据下列哪种方式更好些A：热分析实验结果；B干燥温度；C氢氧化物分解温度。11、加氢脱硫催化剂大部分的活性相是过渡金属硫化物的主要原因是A：金属与硫之间键相对较弱，同时硫电负性比氧小而原子半径大；B：硫化物有很好的稳定性，同时又不会引入其它杂质；C：硫化物加氢所需要的外加能量比氧化物低。12、利用固体酸的吡啶-TPD曲线可以判断固体酸A：酸强度；B：酸量；C：酸的类型13、过渡金属逸出功与有很好的关联性。A：电离能；B：生成焓；C：电负性14、金属的能带理论认为过渡金属和贵金属具有较高的催化性能与d空穴的多少有关。经磁矩测试Fe、Co、Nid空穴分别为2.2，1.7，0.6，适合加氢作为加氢的催化剂为A：Fe；B：Ni；C：Co15、按Boudart等人总结归纳Ni-Cu合金催化剂出现结构敏感的催化过程可能是A：C-C键断裂；B：C-H键断裂；C：H-H键断裂。16、Langmuir吸附模型与BET吸附模型中是单分子吸附的是A：Langmuir；B：BET；C：都不是。17、非晶态催化剂在催化选择性加氢过程中表现出较高的活性和选择性，但使用非晶态催化剂时应注意的问题是。A：反应温度不宜过高；B：反应压力不宜过高；C：反应时间不应过长。18、工业催化剂为适应反应工程的要求制成各种形状，有圆柱形，环形，球形，网状，粉末，及不规则形状（如三叶草，等）。对流化催化裂化过程，适合的催化剂形状应当是A：三叶草形，或蜂窝形；B：；圆柱形，丝网形，C：细粒或微球形。19、在催化氧化过程中经常用到钙钛矿催化剂，现在一般催化剂中所指的钙钛矿ABO3中A、所代表的含义是A：A=Ca2+，B=Ti4+；B：A=稀土（特别是La3+）；B=过渡金属（M3+）；C：A=非金属（P5+），B=碱土金属（Mg2+）20、如果催化剂因积炭而发生失活所需时间很长，达到一年以上，这时一般采用烧炭再生方式从工程化角度更为合理A：固定床；B：滴流床；C：流化床。21、络合催化过程中的活化方式之一的氧化加成使中心金属离子发生A：配位数增加，氧化态增加；B：配位数增加，氧化态减小；C二者都减小。22、X、Y型分子筛的区别在于A：分别由α、β笼构成；B：是否有八面沸石结构；C：硅铝比不同。23、TPD、TEM、SEM、XPS、XRD，IR作为催化剂表征手段，能提供催化剂表面元素价态和晶体物相的两种表征方法是A：TPD、TEM；B：XPS，XRD；C：SEM、IR。24、络合催化中的18规则是指A：中心过渡金属最多可容纳18个价电子；B：配位体本身的电子数；C：中心金属与配位体价电子总和。填空题:1、分子筛