重點介紹各類催化劑的組成結構及其催化作用規律與(yu) 催化機理。主要包括五大類催化劑：固體(ti) 酸堿催化劑，分子篩催化劑，金屬催化劑，金屬氧化物和金屬硫化物催化劑，以及絡合催化劑。重點掌握各類催化劑的基礎知...
重點介紹各類催化劑的組成
結構及其催化作用規律與(yu) 催化機理。主要包括五大類催化劑：固體(ti) 酸堿催化劑，分子篩催化劑，金屬催化劑，金屬氧化物和金屬硫化物催化劑，以及絡合催化劑。重點掌握各類催化劑的基礎知識、基本概念，典型代表、工業(ye) 應用及新進展。
一、酸堿催化劑
石油煉製和石油化工是催化劑大的應用領域，在國民經濟中占有重要地位。在石油煉製和石油化工中，酸催化劑占有重要的地位。烴類的催化裂化，芳烴和烯烴的烷基化，烯烴和二烯烴的齊聚、共聚和高聚，烯烴的水合製醇和醇的催化脫水等反應，都是在酸催化劑的作用下進行的。工業(ye) 上用的酸催化劑，多數是固體(ti) 。20世紀60年代以來，又發現一些新型的固體(ti) 酸催化劑，其中有影響的是分子篩型催化劑，其次是鹽型酸性催化劑。
1、固體(ti) 酸堿的定義(yi) 和分類
固體(ti) 酸：一般認為(wei) 是能夠化學吸附堿的固體(ti) ，也可以了解為(wei) 能夠使堿性指示劑在其上麵改變顏色的固體(ti) 。固體(ti) 酸又分為(wei) 布朗斯特（Brφnsted）酸和路易斯（Lewis）酸。前者簡稱為(wei) B酸，後者簡稱為(wei) L酸。B酸B堿的定義(yi) 為(wei) ：能夠給出質子的都是酸，能夠接受質子的都是堿，所以B酸B堿又叫質子酸堿。L酸L堿的定義(yi) 為(wei) ：能夠接受電子對的都是酸，能夠給出電子對的都是堿，所以L酸L堿又叫非質子酸堿。
2、固體(ti) 酸堿的強度和酸堿量
B酸強度，是指給出質子的能力；L酸強度是指接受電子對的能力。酸強度通常用Hammeett函數H0表示，定義(yi) 如下：
若一固體(ti) 酸表麵能夠吸附一未解離的堿，並且將它轉變為(wei) 相應的共軛酸，且轉變是借助於(yu) 質子自固體(ti) 酸表麵傳(chuan) 遞於(yu) 吸附堿，即：式中[B]a和[BH+]a分別為(wei) 未解的堿（堿指示劑）和共軛酸的濃度。pKa是共軛酸BH+解離平衡常數的負對數，類似pH。若轉變是借助於(yu) 吸附堿的電子對移向固體(ti) 酸表麵，即
式中[A:B]是吸附堿B與(yu) 電子對受體(ti) A形成的絡合物AB的濃度。H0越小酸度越強。
酸量：固體(ti) 表麵上的酸量，通常表示為(wei) 單位重量或單位表麵積上酸位的毫摩爾數，即m mol/wt或m mol/m2。酸量也叫酸度，指酸的濃度。
固體(ti) 堿的強度，定義(yi) 為(wei) 表麵吸附的酸轉變為(wei) 共軛堿的能力，也定義(yi) 為(wei) 表麵給出電子對於(yu) 吸附酸的能力。堿量的表示，用單位重量或者單位表麵積堿的毫摩爾數，即m mol/wt或m mol/m2。堿量也叫堿度，指堿中心的濃度。
酸堿對協同位：某些反應，已知雖由催化劑表麵上的酸位所催化，但堿位或多或少地起一定的協同作用。有這種酸-堿對協同位的催化劑，有時顯示更好的活性，甚至其酸-堿強度比較單個(ge) 酸位或堿位的強度更低。例如ZrO2是一種弱酸和和弱堿，但分裂C-H的鍵的活性，較更強酸性的SiO2-Al2O3高，也較更強堿性的MgO高。這種酸位和堿位協同作用，對於(yu) 某些特定的反應是很有利的，因而具有更高的選擇性。這類催化劑叫酸堿雙功能催化劑。
固體(ti) 超強酸和超強堿：固體(ti) 酸的強度若超過100%的強度，則稱之為(wei) 超強酸。因為(wei) 100%的酸強度用Hammeett酸強度函數表示時為(wei) H0 = -11.9，故固體(ti) 酸強度H0 < -11.9者謂之固體(ti) 超強酸或超酸。
固體(ti) 超強堿是指它的堿強度用堿強度函數H-表示高於(yu) +26者。固體(ti) 超強堿多為(wei) 堿土金屬氧化物，或堿土金屬與(yu) 堿金屬的複合氧化物。
3.重要的固體(ti) 酸堿催化劑
堿土金屬氧化物中的MgO、CaO和SrO2是典型的固體(ti) 堿催化劑。AlCl3、FeCl3是典型的固體(ti) L酸催化劑。Al2O3有多種不同的晶型變體(ti) 。作為(wei) 催化劑來說，重要的是γ- Al2O3和η- Al2O3兩(liang) 種，二者都係有缺陷的尖晶石結構。穩定的是無水的α- Al2O3，它是O=離子的六方緊密堆砌體(ti) ，Al3+離子占據正八麵位的2/3。各種變型的Al2O3在1470℃以上熔化，終都轉變為(wei) α- Al2O3。
複合氧化物SiO2-Al2O3，TiO2占主要組分的TiO2-SiO2的和SiO2占主要組分的SiO2- TiO2都是酸性催化劑。ZnO-SiO2無論誰為(wei) 主要組分都不具有酸性。Al2O3係列二元氧化物中，用得較廣泛的是MoO3/ Al2O3，加氫脫硫和加氫脫氮催化劑，就是用Co或者Ni改性的Al2O3- MoO3二元硫化物體(ti) 係。Co-MoO3/ Al2O3或Ni-MoO3/ Al2O3在Al2O3中原來隻有L酸位，將MoO3引入形成了B酸位，Co或Ni的引入是阻止L酸位的形成，中等強度的L酸位在B酸位共存時有利於(yu) 加氫脫硫的活性。L酸位和B酸位共存，有時是協同效應；有時L酸位在B酸位鄰近的存在，主要是增強B酸位強度，因此也就增加了它的催化活性。有的反應雖不為(wei) 酸所催化，但酸的存在會(hui) 影響反應的選擇性和速率。
γ- Al2O3表麵有強酸部位和弱酸部位；強酸位是催化異構化反應的活性部位，弱酸位是是催化脫水反應的活性部位。固體(ti) 酸催化劑表麵上存在一種以上的活性部位，是它們(men) 的選擇性特性所在。一般涉及C-C鍵斷裂的反應，如催化裂化、骨架異構、烷基轉移和歧化反應，都要求強酸中心；涉及C-H鍵斷裂的反應如氫轉移、水合、環化、烷基化等，都需要弱酸中心。
4.均相酸堿催化反應機理和速率方程
酸堿催化一般經過離子型的中間化合物，即經過正碳離子或負碳離子進行的。例如
或
如，AlCl3(L酸)作用下的與(yu) 鹵代烴的反應（弗-克反應），反應機理是
AlCl3是路易斯酸，接受電子對產(chan) 生正碳離子，然後再按下式反應
在酸催化中包含了催化劑分子把質子轉移給反應物。因此催化劑的效率常與(yu) 催化劑的酸強度有關(guan) 。在酸催化時，酸失去質子的趨勢可用它的離解常數來衡量，所以酸催化常數應與(yu) 酸的離解常數成比例。實驗表明二者有如下的關(guan) 係
式中和均為(wei) 常數，它決(jue) 定於(yu) 反應的這類和條件。
對於(yu) 堿催化的反應，堿催化常數應與(yu) 堿的離解常數成比例。二者有如下的關(guan) 係
以廣義(yi) 酸催化作用為(wei) 例，一般機理是：反應物S先與(yu) 廣義(yi) 酸HA作用，生成質子化物SH+，然後質子轉移，得到產(chan) 物P，並產(chan) 生一個(ge) 新質子，
SH+ + H2O P + HO
其速率方程，由於(yu) 質子化物是一個(ge) 活潑的中間體(ti) ，可用穩態處理法，即(6.1.3)
式中，由於(yu) 是稀溶液，可作為(wei) 定值。反應速率為(wei)
(6.1.5)
進一步考慮廣義(yi) 酸HA的解離平衡，HA + H2O = H3O+ + A-，(6.1.6)
KHA為(wei) 解離平衡常數。代入式（6.1.5）得(6.1.7)
這就是所得的速率方程，可以區別兩(liang) 種極端的情況：
若k2 >> k-1cA-，即k2cH+ >> k-1KHAcHA，中間物反應極快
(6.1.8)
反應由步驟1控製，速率正比於(yu) 廣義(yi) 酸的濃度，是所謂廣義(yi) 酸催化。
若k2 << k-1cA-，中間物反應極慢，反應由步驟2控製，速率正比於(yu) 氫離濃度，是所謂氫離子催化。在一定pH下為(wei) 一級反應，蔗糖在稀酸溶液中水解即為(wei) 例。
更廣泛的說，廣義(yi) 酸HA和氫離子H+都有影響，廣義(yi) 堿A-和氫氧離子OH-也有作用，乃至沒有酸堿催化劑時，反應也能有一定程度進行。速率常數可以更一般的表達為(wei)
式中即非催化反應，相當於(yu) 式（6.1.9）中的，相當於(yu) 式（6.1.8）中的。整個(ge) 反應速率則為(wei)
在研究多相酸堿催化反應機理和速率方程時，上述分析和推導可以提供借鑒作用。
