第一章催化剂与催化作用基本知识
1、简述催化剂的三个基本特征。
答：①催化剂存在与否不影响△Gθ的数值，只能加速一个热力学上允许的化学反应达到化学平衡状态而不能改变化学平衡；②催化剂加速化学反应是通过改变化学反应历程，降低反应活化能得以实现的；③催化剂对加速反应具有选择性。
2、1-丁烯氧化脱氢制丁二烯所用催化剂为MoO3/BiO3混合氧化物，反应由下列各步组成
（1）CH3-CH2-CH=CH2+2Mo6++O2-→CH2=CH-CH=CH2+2Mo5++H20
（2）2Bi3++2Mo5+→2Bi2++2Mo6+
（3）2Bi2++1/202→2Bi3++02-
总反应为CH3-CH2-CH=CH2+1/202→CH2=CH-CH=CH2+H20
试画出催化循环图。
CH3-CH2=CH-CH=CH2
5+
2+
20
3、合成氨催化剂中含有Fe3O
4、Al2O3和K20，解释催化剂各组成部分的作用。答：Fe3O4：主催化剂，催化剂的主要组成，起催化作用的根本性物质Al2O3：构型助催化剂，减缓微晶增长速度，使催化剂寿命长达数年
K20：调变型助催化剂，使铁催化剂逸出功降低，使其活性提高
第二章催化剂的表面吸附和孔内扩散
1、若混合气体A和B2在表面上发生竞争吸附，其中A为单活性吸附，B2为解离吸附：A+B2+3*→A*+2B*,A和B2的气相分压分别为p A和p B。吸附平衡常数为k A 和k B。
求吸附达到平衡后A的覆盖率θA和B的覆盖率θB。
解：对于气体A：吸附速率v aA=k aA P A(1—θA—θB) ；脱附速率v dA=k dAθA 平衡时：v aA=v dA，即θA=（k aA/k dA）P A（1—θA—θB）=k A·k B（1—θA—θB）对于气体B：吸附速率v aB=k aB P B(1—θA—θB)2；脱附速率v dB=k dBθB2
平衡时：v aB=v dB ，即θB2= k B P B(1—θA—θB)2
（1）求V m（单位L）和C以及单分子层铺满时吸附质物质的量（题中数据已换算成标况）。
（2）求Al2O3的表面积。（已知：N2分子截面积16.2×10-20m2）
解：P/V a(P0-P)=(1/CV m)[1+(C-1)P/P O]=[(C-1)/CV m](P/P O)+1/CV m
由题目可知：（C-1）/CVm=50.06 1/CVm=0.2723 ∴C=184.84 Vm=0.01987L(标况)
n=0.01987/22.4=8.875×10-4 S=nN A S O=8.875×10-4×6.023×1023×16.2×10-20=86.60m2
3、多相催化反应一般包括那几个步骤？其中哪几个步骤属于化学过程？
答：多相催化反应包括：
外扩散:反应物分子从气流中向催化剂颗粒表面扩散;（孔）内扩散:反应物分子从颗粒表面向颗粒内表面扩散;化学吸附:反应物分子在催化剂内表面吸附;表面反应:吸附的反应物分子在催化剂表面上反应;脱附:产物分子自催化剂内表面脱附;（孔）内扩散:产物分子从颗粒内表面向颗粒外表面扩散;
外扩散:产物分子从催化剂颗粒外表面向气流中扩散;其中化学吸附、表面反应、脱附属于化学过程。
4、在多相催化反应中，为什么至少有一种反应物必须经过化学吸附？
答：因为化学吸附可使反应物分子均裂生成自由基，也可以异裂生成离子或使反应物分子强极化为极性分子，生成的这些表面活性中间物种具有很高的反应活性，有利于催化反应的进行。
5、物理吸附、化学吸附的差别如何？
电子结构及几何构型。
7、氢的吸附态有：在金属表面上的吸附态（均裂吸附）和在金属氧化物表面上的吸附态（均裂吸附）
8、室温下，氢在ZnO上的化学吸附有两类，它们是：
第一类是快速可逆的吸附：这类吸附的氢参与了乙烯加氢-氘交换反应，表明它是处于活化状态；
第二类化学吸附是慢的、不可逆的：示踪实验表明这类吸附的氢不能进行乙烯加氢和氢-氘交换反应，因而是没有得到活化的。即所谓的高配位M-吸附态和低配位L-吸附态。
9、CO在过渡金属上两种吸附态是：分子态吸附、解离型吸附
10、在一些催化剂上，已经确定了哪几种氧吸附形式？哪种氧吸附态易使烃类发生深度氧化作用？
多种吸附态：电中性的氧分子O2和带负电荷的阳离子（O2-,O-,O2-）
带吸附阳离子与深度氧化有关。
11、关于烯烃在金属上的缔合化学吸附，已经提出哪两种吸附态？答：σ型和π型
12、有关乙炔在金属表面上的吸附态，已经提出的吸附态有哪几种？
答：π型一位吸附、σ型二位吸附、解离吸附
13、关于苯在金属上的吸附已经提出的看法有：
答：6位σ型吸附、2位σ型吸附、η6π缔合型吸附态、解离吸附
14、在一种催化剂表面产生各种吸附态的成因是多方面的，主要原因有哪两种？答：固有不均一性、诱导不均一性。
15、固有不均一性的定义：指表面原子（离子）微环境的不均一性，一般是指由催化剂本身的结构所决定的和在制备过程中所产生的价不饱和性或配位不配合性的差异。
16、Langmuir吸附的基本假设如何？
答：（1）吸附剂表面是均匀的，各吸附中心能量相同；（2）吸附分子间无相互作用；（3）吸附是单分子层吸附，其吸附分子与吸附中心碰撞才能吸附，一个
分子共占据一个吸附中心；（4）一定条件下，吸附与脱附可建立动态平衡。
17、乔姆金等温式成立的条件：
只适用于化学吸附，且在较小的覆盖度范围内才有效，从化学吸附只能在一部分表面中心上进行（即吸附分子只能吸附在可以成键的吸附中心上）的观点来看，上述二者显然是一致的。
18、物理吸附的多分子层理论的基本假设：（1）固体表面是均匀的，自由表面对所有分子的吸附机会相等，分子的吸附、脱附不受其他分子存在的影响；（2）固体表面与气体分子的作用力为范德华力，因此在第一吸附层之上还可以进行第二层、第三层等多层吸附。
19、溢流定义：一定条件下形成或存在于一种固相表面的活性物种，不经脱附过程进入气相而向同样条件下不能直接形成或本来不存在该活性物种的另一种固相表面上的迁移。
第三章 酸碱催化剂及其催化应用
1、酸、碱的质子论的定义：
凡是能提供质子（H +）的物质称为酸（B 酸）；凡是能够接受质子的物质称为碱（B 碱）
2、酸、碱的电子论的定义： 凡是能接受电子对的物质称为酸（L 酸）；凡是能提供电子对的物质称为碱（L 碱）。
3、软硬酸、碱原则：
（SHAB 原则）软酸与软碱易形成稳定的络合物，硬酸与硬碱易形成稳定的络合物。而交界酸碱不论结合对象是软或硬酸碱，都能相互配位，但形成络合物的稳定性差。
4、酸、碱性质的完整描述包括哪三个方面？
答：酸中心的类型、酸中心的浓度、酸中心的强度
5、均相酸、碱催化反应的特征？
答：均相酸碱催化一般以离子型机理进行，即酸碱催化剂与反应物作用形成正碳离子或负碱离子中间物种，这些中间物种与另一反应物作用（或本身分解），生成产物并释放出催化剂，构成酸碱催化循环。在这些催化过程中均以质子转移步骤为特征，所以，一些有质子转移的反应，如水合、脱水、酯化、水解、烷基化和脱烷基等反应，均可使用酸碱催化剂进行催化反应。
6、Bronsted 规则公式是什么，怎么应用该规则对液体酸催化反应建立催化剂筛选模型？
答：Bronsted 规则公式：α=a
a a K G k
取对数，得：logk a =logG a +αlogK a 或 logk a =logG a -αpK a
用logk a 对pK a 作图，可得到一直线，斜率为-α
α值在0～1之间。α值很小，表明反应对催化剂的酸强度不敏感，此时任何一种酸都是优良的质子给予者，反应与催化剂酸强度无关；相反，α值接近1，表明反应对催化剂酸强度很敏感，只有强酸中心才能催化该反应。
有些酸催化剂在反应过程中可同时离解出两个或多个质子，在这种情况下就须对方程作些修正。 对酸催化反应为：α=)K p
q (G p k a a a 对碱催化反应为：β
=b b b K G k 或 β=)K q
p
(G p k b b b 7、对酸中心的检测包括哪几个方面？ 答：酸中心的类型、酸量（酸度、酸密度、酸浓度）、酸强度及其分布。
8、以TiO 2-SiO 2 为例，请阐述田部浩三关于二元混合氧化物酸性中心模型。
杂多酸盐的晶体结构；三级结构指的是由杂多负离子抗衡正离子和结晶水所组成的晶体结构。
10、杂多酸的性质：
答：热稳定性：分解温度620～870K ，PW ＞SiW ＞PMo ＞SiMo ；酸性：杂多酸为强B 酸；氧化还原性：杂多酸为强氧化剂；“假液相”性：吸收大量极性分子的杂多酸类似于一种浓溶液
11、用指示剂测定固体酸的酸性
（1o
（2）如，某固体酸不能使蒽醌变色而能使亚苄基乙酰苯变黄色，则样品酸强度：-8.2＜H o＜-5.6
12、正碳离子稳定性顺序是:叔正碳离子＞仲正碳离子＞伯正碳离子＞乙基正碳离子＞甲基正碳离子
13、固体碱催化反应机理：负碳离子机理，L碱中心能够供给电子对，把C-H中的H+脱去，形成负碳离子
14、请简述分子筛沸石的结构特点。
答：分子筛的晶格骨架主要由硅铝酸部分所组成，固体内部的原子排列，是按照一定的规律作周期性的三维排列。对于不同的硅铝比例，不同的制备条件与方法，骨架结构也不同。分子筛只有中空的有高度规则性的笼状结构，通向这笼状多面体，有各种大小均一的孔道，从而组成了四通八达的微晶体。入口孔径(窗口)的大小限制了能够吸附在分子筛内部表面的分子的几何大小，从而具有筛分分子的性能。其孔径大小也与阳离子的类型有关。
15、沸石分子筛的离子交换度(简称交换度)：
可用Na+交换度衡量：Na+交换度% =（交换下来的Na20量/原来沸石中含的Na20量）×100%
16、分子筛的择形选择性：
（A）反应物择形催化：当反应混合物中有些反应物分子的临界直径小于孔径时，可以进到晶孔内，与催化剂内表面相接触进行催化反应，而大于孔径的分子不能进入晶孔内，这样便产生反应物择形催化。
（B）产物择形催化：反应产物中分子临界直径小于孔口的可以从孔中扩散出来，最终成为产物，而分子临界直径大于孔径的则无法从孔内溢出，此时便产生了产物选择性。
（C）限制过渡态择形催化：反应物分子相互作用时可生成相应的过渡态，它需要一定空间，当催化剂空腔中的有效空间小于过渡态所需要的空间时，反应将受到阻止，此时便产生限制过渡态选择性催化。
（D）分子交通控制的择形催化：具有两种不同形状和大小和孔道分子筛中，反应物分子可以很容易地通过一种孔道进入到催化剂的活性部位，进行催化反应，而产物分子则从另一孔道扩散出去，尽可能地减少逆扩散，从而增加反应速率。这种分子交通控制的催化反应，是一种特殊形式的择形选择性，称分子交通控制择形催化。
17、请简述催化裂化原料油中固体酸催化剂的发展过程。
催化剂的选择比较明显地经历以下三个阶段：
一、1936 年开始采用天然粘土催化剂(例如酸处理过的白土－微晶膨润土、蒙脱土、高岭土)。这些粘土是水合硅铝酸盐，合有可交换的Ca2+、Mg2+、Fe3+等离子。经过H2SO4处理后，这些离子绝大部分为H+所交换；
二、40 年代以后，催化裂化使用了合成非晶态硅酸铝类催化剂(又称硅铝胶SiO2-Al2O3)。它的优点是抗硫性能、机械性能较好，所产生的汽油辛烷值比天然催化刑也高，但汽油与焦炭比例较差；
三、近年来，由新型分子筛催化剂，与硅铝胶催化剂对比，有四个特点：1)活性高得多；2)汽油组分中合饱和烷烃及芳烃多，汽油质量较好；3)单程转化率提高，比较不易产生“过裂化”，裂化效率较高；4)抗重金属污染性能高。
第四章金属催化剂及其催化应用
1、金属分散度：分散度（D）=表相原子数/（表相+体相）原子数。分散度是指金属晶粒大小而言，晶粒大，分散度小，反之晶粒小，分散度大。
2、能带：按照分子轨道理论，把金属以及金属氧化物看成N个原子规则排列成的近乎无限的巨大分子，相邻原子的轨道重叠，组成成属于整个材料的N个非定域分子轨道。随着N趋于无限大，能带总宽度逐渐增大，但仍保持有限值，因此能级间隔趋向于零，称为能带。
3、费米能级：电子在能带中填充的最高能级
4、d 轨道百分数：价键理论认为，过渡金属原子以杂化轨道相结合，杂化轨道通常为s、p、d等原子轨道的线性组合，称为spd 或dsp杂化，杂化轨道中d 原子轨道所占的百分数称为d特性百分数，以符号d%表示。
5、逸出功φ：费密能级与导带顶的能量差，即把一个电子从半导体内部拉到外部，变成完全自由电子时所需的最低能量。
6、金属晶体不均一性：近年来随着表面分析技术的发展，人们用低能电子衍射、俄歇能谱、紫外光电子能谱及质谱等研究金属单晶的表面结构，直接观察到晶体表面存在着晶台、晶阶和晶弯等不均一表面，
7、参照图，根据金属催化剂表面原子的几何排布对催化活性的影响，解释采用金属Ni 催化乙烯加氢反应时
Ni 的[110]晶面催化活性高
于[111]晶面的催化活性的原
因。
乙烯的双位吸附络合物如图
所示：乙烯中碳原子为正四面
体，θ约为109°28＇，
C－C 键距离为0.154 nm，C-Ni 键的距离为
0.182 nm。
答：乙烯在金属催化剂上加氢反应机理是：氢在Ni表面解离，乙烯在Ni表面采取不解离双位（α,β）吸附，然后两者在表面上互相作用，形成半氢化的吸附态ＣＨ2ＣＨ3，最后进一步氢化为乙烷。
乙烯的双位吸附络合物如图所示：乙烯中碳原子为正四面体，θ约为109°28＇，C－C键距离为0.154 nm，C-Ni 键的距离为0.182 nm。为了活化最省力，原则上除所欲断裂的键外，其他的键长和键角力求不变。这样就要求双位活性中心M-M 有一定的间距a。a，b，c的关系为：θ=arccos[(c-a)/2b]金属Ni为面心立方晶格，其不同晶面上有两种Ni-Ni 双位活性中心，分别称为窄活性位和宽活性位。窄活性位Ni-Ni 间距为a=0.248 nm，其吸附乙烯时
θ=105°41’。(比109°28’小4°28’)。宽活性位Ni-Ni 间距为a=0.351 nm，其吸附乙烯时θ=122°57’。 (比109°28’小13°32’)。
所以，乙烯在窄活性位上吸附时，θ角偏离较小，乙烯几何结构变化较小，因此乙烯在窄活性中心上容易吸附，是一种强吸附。但其加氢活性并不高，这是因为这种吸附产生的活性物种太稳定，不易进行进一步加氢的后续反应。而乙烯在宽活性位上吸附时，θ角偏离较大，乙烯几何结构变化较大，吸附较难，形成键造成分子内的张力较大，是一种弱吸附，但却给出高的加氢活性。
Ni 的[110]晶面含有的宽活性位较多，而[111]
晶面仅含窄活性位，因此Ni 的[110]晶面催化乙
烯加氢的活性高于[111]晶面的催化活性。
8、乙烯在各种金属膜上加氢的速度常数与金属原
子的间距有关,请从金属催化剂的结构和吸附方
面的理论，解释这种现象。
答：金属催化剂进行乙烯加氢反应时，金属的晶
格间距与活性有关。这时因为催化剂的活性和反
应物分子在它上面的吸附能力相关。在反应过程
中，反应物在催化剂的活性位上进行吸附，吸附的反应物进行反应生成中间态化合物，中间态化合物进一步脱附离开催化剂形成产物。多原子分子在催化剂上的吸附是多位吸附。当反应物分子的几何结构与金属的晶格距离接近时，在反应过程中，吸附的反应物分子在催化剂表面形成强吸附和稳定化合物，不能进一步反应生成中间态和脱附，导致反应物分子不能继续吸附，所以不能起到催化作用。当反应物分子几何结构与金属的晶格距离相差较大时，在反应过程中，反应物分子不能吸附在催化剂表面，也以不能起到催化作用。只有反应物分子的几何结构与金属的晶格距离相匹配，形成强度适中的吸附物种，才能起到催化作用。乙烯加氢反应中，乙烯在金属催化剂上吸附反应时的C-C 键长是0.154nm，而原子间距在0.375～0.39nm 的Pd、Pt、Rh 等与乙烯有强度适中的吸附作用，所以对该反应具有较好的催化作用。
9、巴兰金多位理论：巴兰金：提出催化作用的几何适应性与能量适应性的概念的多位理论。
其基本观点如下：反应物分子扩散到催化剂表面，首先物理吸附在催化剂活性中心上；然后反应物分子指示基团（指分子中与催化剂接触进行反应的部分）与活性中心作用，于是分子发生变形，生成表面中间络合物（化学吸附）；通过进一步催化反应，最后解吸成为产物。
几何适应性；指示基团的对称性与活性中心的对称性一致才能具有催化作用。能量适应性；根据最省力原则，要求活性中心与反应分子间有一定的结构对应性，并且吸附不能太弱，也不能太强。因为太弱吸附速度太慢，太强则解吸速度太慢，只有适中才能满足能量适应的要求。
10、晶格缺陷的类型：原子（离子）缺陷（点缺陷）[空位、间隙原子（离子）、杂质、取代原子（离子）、缔合中心]，电子缺陷[电子]，扩展缺陷
（复合）[缺陷簇、切变面]，线缺陷[错位]，面缺陷[晶体表面]
11、合金的分类：
机械混合：各金属原子仍保持其原来的晶体结构，只是粉碎后机械地混在一起。这种机械混合常用于晶格结构不同的金属，它不符合化学计量。
化合物合金：两种金属符合化合物计量的比例，金属原子间靠化学力结合组成的金属化合物。这种合金常用于晶格相同或相近，原子半径
差不多的金属。
固溶体：介于上述两者之间，这是一种固态溶液，其中一种
金属元素可视为溶剂，另一种较少的金属可视为溶解在溶剂
中的溶质。固溶体通常分为填隙式和替代式两种。
12、解释在用 Cu-Ni 合金催化剂催化乙烷氢解和环己烷脱氢
反应过程中Cu 含量增加对两个反应速度影响的差异：乙烷氢
解为甲烷的反应速度降低约４个数量级，而环己烷脱氢速度
只是略有增加，然后变得与合金组成无关，直到接近纯铜时，
速率才迅速下降。
答：（1）Cu-Ni合金催化剂上铜表面富集作用；（2）环己烷
脱氢C-H键断裂容易发生，所以合金化影响不明显；（3）而对于乙烷氢解C-C键的裂解，由于发生氢解反应，金属表面至少有一对相邻金属原子与2个C原子成键，才能进行氢解反应。当镍和铜形成合金时，由于Cu的富集，镍的表面双位数减少，而且吸附强度降低，因而导致氢解反应速度大大降低。
13、计算：[Ni](3d8)(4s2)。Ni 六个轨道参与成键，有两种成键杂化轨道。
在Ni-A（d2sp3杂化)中共有6 个杂化轨道，其中4 个原子占据3 个d 轨道，在6 个杂化轨道中共有2 个d 轨道，故d 轨道百分数为2/6＝0.33
Ni-B(d3sp2杂化) 中共有7 个杂化轨道，其中4 个原子占据2 个d 轨道，在7个杂化轨道中共有3 个d 轨道，故d 轨道百分数为3/7＝0.43,故Ni 的d 轨道百分数为：0.33*30%+0.43*70%＝40％
答：Ni的d 轨道百分数为40％
第五章金属氧化物催化剂
1、n 型半导体与p 型半导体的掺杂生成规律：
n 型半导体的生成：（1）非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成n型半导体，（2）负离子（氧）缺位，（3）高价离子取代晶格中的正离子，（4）向氧化物引入电负性小的原子。