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催化剂的用途与作用

2019-07-22 17:43:50

定义:根据IUPAC于1981年提出的定义,催化剂是一种物质,它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化.这种作用称为催化作用.涉及催化剂的反应为催化反应.

催化剂(catalyst)会诱导化学反应发生改变,而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应.催化剂在工业上也称为触媒.

初中书上定义:在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率,而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂,又叫触媒.催化剂在化学反应中所起的作用叫催化作用.

我们可在波兹曼分布(Boltzmann distribution)与能量关系图(energy profile diagram)中观察到,催化剂可使化学反应物在不改变的情形下,经由只需较少活化能(activation energy)的路径来进行化学反应.而通常在这种能量下,分子不是无法完成化学反应,不然就是需要较长时间来完成化学反应.但在有催化剂的环境下,分子只需较少的能量即可完成化学反应.

催化剂有三种类型,它们是:均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂.

均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态(固态、液态、或者气态).例如:如果反应物是气体,那么催化剂也会是一种气体.笑气(四氧化二氮)是一种惰性气体,被用来作为麻醉剂.然而,当它与氯气和日光发生反应时,就会分解成氮气和氧气.这时,氯气就是一种均相催化剂,它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素.

多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态.例如:在生产人造黄油时,通过固态镍(催化剂),能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪.固态镍是一种多相催化剂,被它催化的反应物则是液态(植物油)和气态(氢气).

酶是生物催化剂.活的生物体利用它们来加速体内的化学反应.如果没有酶,生物体内的许多化学反应就会进行得很慢,难以维持生命.大约在37℃的温度中(人体的温度),酶的工作状态是的.如果温度高于50℃或60℃,酶就会被破坏掉而不能再发生作用.因此,利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂,在低温下使用.

催化剂分均相催化剂与非均相催化剂.非均相催化剂呈现在不同相(Phase)的反应中(例如:固态催化剂在液态混合反应),而均相催化剂则是呈现在同一相的反应(例如:液态催化剂在液态混合反应).一个简易的非均相催化反应包含了反应物(或zh-ch:底物;zh-tw:受质)吸附在催化剂的表面,反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生,但又因产物与催化剂间的键并不牢固,而使产物出现.目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置.

仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率,而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂.催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时,叫做单相催化作用;催化剂跟反应物属不同相时,叫做多相催化作用.

人们利用催化剂,可以提高化学反应的速度,这被称为催化反应.大多数催化剂都只能加速某一种化学反应,或者某一类化学反应,而不能被用来加速所有的化学反应.催化剂并不会在化学反应中被消耗掉.不管是反应前还是反应后,它们都能够从反应物中被分离出来.不过,它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗,然后在整个反应结束之前又重新产生.

使化学反应加快的催化剂,叫做正催化剂;使化学反应减慢的催化剂,叫做负催化剂.例如,酯和多糖的水解,常用无机酸作正催化剂;二氧化硫氧化为三氧化硫,常用五氧化二钒作正催化剂,这种催化剂是固体,反应物为气体,形成多相的催化作用,因此,五氧化二钒也叫做触媒或接触剂;食用油脂里加入0.01%~0.02%没食子酸正丙酯,就可以地防止酸败,在这里,没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或剂).

目前,对催化剂的作用还没有完全弄清楚.在大多数情况下,人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应,降低了反应所需要的活化能.有些催化反应是由于形成了很容易分解的“中间产物”,分解时催化剂恢复了原来的化学组成,原反应物就变成了生成物.有些催化反应是由于吸附作用,吸附作用仅能在催化剂表面活泼的区域(叫做活性)进行.活性的区域越大或越多,催化剂的活性就越强.反应物里如有杂质,可能使催化剂的活性减弱或失去,这种现象叫做催化剂的中毒.

催化剂对化学反应速率的影响非常大,有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上.催化剂一般具有选择性,它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行.例如,加热时,甲酸发生分解反应,一半进行脱水,一半进行脱氢:

HCOOH=H2O+CO

HCOOH=H2+CO2

如果用固体Al2O3作催化剂,则只有脱水反应发生;如果用固体ZnO作催化剂,则脱氢反应单独进行.这种现象说明,不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程.因此,我们利用催化剂的选择性,可使化学反应主要向某一方向进行.

在催化反应里,人们往往加入催化剂以外的另一物质,以增强催化剂的催化作用,这种物质叫做助催化剂.助催化剂在化学工业上为重要.例如,在合成氨的铁催化剂里加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂,可以大大提高催化剂的催化作用.

催化剂在现代化学工业中占有重要的地位,现在几乎有半数以上的化工产品,在生产过程里都采用催化剂.例如,合成氨生产采用铁催化剂,硫酸生产采用钒催化剂,乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中,都采用不同的催化剂.

酶,是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质,旧称酵素.生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行.酶的催化作用同样具有选择性.例如,淀粉酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖,蛋白酶催化蛋白质水解成肽等.酶在生理学、医学、农业、工业等方面,都有重大意义.目前,酶制剂的应用日益广泛.