催化劑概念的演變和發(fā)展

陳寅等

近年來有文章在討論催化劑的概念時指出：催化劑是在化學反應中能增大反應速率的物質(zhì)的提法不妥，認為應當將“增大”表述為“改變”更為妥當。并進一步提出：催化劑包括正催化劑和負催化劑，在化學反應中能減慢化學反應速率，但本身的化學性質(zhì)和質(zhì)量在反應前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)，同樣也稱為催化劑。

筆者認為上述提法是一種離開了科學發(fā)展的、過時了的觀點。

一、催化和催化劑

“催化”顧名思義是催促化學反應，加快化學反應的進行?！按呋币辉~是1835年瑞典化學家J.J.Berzelius首先引用到化學學科中來的。

1902年德國化學家F.W.Ostwald將“催化”定義為：加速化學反應而不影響化學平衡的作用。

現(xiàn)代化學對于催化劑的正確表述為：“能顯著提高化學反應速率，其自身的組成和數(shù)量在反應前后保持不變的物質(zhì)稱為催化劑。催化劑改變化學反應速率的作用稱催化作用，它本質(zhì)上是一種化學作用?！?/p>

催化劑為什么能加速化學反應進行呢？這是因為在催化反應過程中，至少有一種反應物與催化劑發(fā)生了某種形式的化學作用。由于催化劑的介入，化學反應改變了進行的途徑，而新的途徑需要的活化能較低。降低化學反應的活化能就是催化得以提高化學反應速率的根本原因。例如，強酸可以催化羧酸和醇的酯化反應，這是由于強酸電離的質(zhì)子參與了酯化反應，使羧酸質(zhì)子化，質(zhì)子化了的羧酸更易與醇的羥基上的氧原子結(jié)合，生成中間體的能量降低，因而降低了活化能，加快了酯化反應的進行。而該強酸在反應前后沒有發(fā)生變化。

二、負催化劑的提出和修正

在20世紀50年代以前，由于發(fā)現(xiàn)了一些物質(zhì)可以終止自由基反應，有的物質(zhì)可以降低催化劑的催化效應，因此有人提出了“負催化劑”的概念。化學發(fā)展的事實表明這種提法是不妥的。可以終止自由基反應的物質(zhì)，往往是一種可以跟自由基結(jié)合或本身變成穩(wěn)定自由基的物質(zhì)。這種物質(zhì)在反應前后的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都發(fā)生了改變，現(xiàn)在把它稱為自由基的淬滅劑或抑制劑。

由催化劑帶進反應而降低催化劑催化活性的物質(zhì)，在反應前后發(fā)生了改變，現(xiàn)在稱之為催化反應的抑制劑。若是由反應物帶進催化反應而降低反應速率的物質(zhì)，它能使催化劑中毒，現(xiàn)在稱其為催化毒物，其在反應前后發(fā)生了改變。例如，硫化氫就是鉑催化劑的毒物。因此，不可能找到既能提高化學反應的活化能，其本身又在反應前后不變的物質(zhì)。

美國《不列顛百科全書》中關于催化劑和催化反應也有如下表述：能增加反應速率而其本身并不消耗的物質(zhì)。為降低化學反應的速率向反應中添加的另外物質(zhì)稱為抑制劑，這種作用稱為抑制或阻滯作用，有時也稱為負催化反應。

因此，20世紀60年代以后在科學界已經(jīng)基本不再討論“負催化劑”了。如果現(xiàn)在還有教科書提到“負催化劑”或把催化劑的概念講成是“改變化學反應速率的物質(zhì)”那么就可能需要進行修改了。

綜上所述，有些使反應減慢的物質(zhì)曾被稱為“負催化劑”，例如鏈反應中加入的抑制劑或催化反應中的毒物，研究表明，它們本身也發(fā)生了變化，故相應改稱為抑制劑或催化毒物。

（收稿日期：2013-11-15）