探究催化劑在化學反應中的作用

陸柳

100多年前的一天，瑞典化學家貝采里烏斯在化學實驗室忙碌地進行著實驗，傍晚，他的妻子瑪利亞準備了酒菜宴請親友，祝賀她的生日。貝采里烏斯沉浸在實驗中，把這件事全忘了，直到瑪麗亞把他從實驗室拉出來，他才恍然大悟，匆忙地趕回家。一進屋，客人們紛紛舉杯向他祝賀，他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當他自己斟滿第二杯酒干杯時，卻皺起眉頭喊道：“瑪利亞，你怎么把醋拿給我喝！”瑪利亞和客人都愣住了。瑪麗亞仔細瞧著那瓶子，還倒出一杯來品嘗，一點兒都沒錯，確實是香醇的蜜桃酒啊！貝采里烏斯隨手把自己倒的那杯酒遞過去，瑪麗亞喝了一口，幾乎全吐了出來，也說：“甜酒怎么一下子變成醋酸啦？”客人們紛紛湊近來，觀察著，猜測著這“神杯”發(fā)生的怪事。

貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)，原來酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，發(fā)現(xiàn)手上沾滿了在實驗室研磨白金時給沾上的鉑黑。他興奮地把那杯酸酒一飲而盡。原來，把酒變成醋酸的魔力是來源于白金粉末，是它加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，生成了醋酸。后來，人們把這一作用叫做觸媒作用或催化作用，希臘語的意思是“解去束縛”。

1836年，貝采里烏斯首次提出化學反應中使用的“催化”與“催化劑”概念。

催化劑的應用具有加速化學反應、提高化學反應效益等作用，極大的方便了人類利用化學反應進行生產(chǎn)的目的。隨著人們對化學反應和催化劑應用研究的不斷深入和擴展，化工生產(chǎn)將為人類社會創(chuàng)造更多的財富，實現(xiàn)無污染、無公害的為人類社會的發(fā)展服務。

一、影響化學反應速率的因素

化學反應是一個復雜的過程，在反應過程中容易受到不同因素的影響。

1.壓強

對于有氣體參與的化學反應，其他條件不變時（除體積），增大壓強，即體積減小，反應物濃度增大，單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多，單位時間內(nèi)有效碰撞次數(shù)增多，反應速率加快；反之則減小。若體積不變，加壓（加入不參加此化學反應的氣體）反應速率就不變。因為濃度不變，單位體積內(nèi)活化分子數(shù)就不變。但在體積不變的情況下，加入反應物，同樣是加壓，增加反應物濃度，速率也會增加。

2.溫度

只要升高溫度，反應物分子獲得能量，使一部分原來能量較低分子變成活化分子，增加了活化分子的百分數(shù)，使得有效碰撞次數(shù)增多，故反應速率加大（主要原因）。當然，由于溫度升高，使分子運動速率加快，單位時間內(nèi)反應物分子碰撞次數(shù)增多反應也會相應加快（次要原因）

3.催化劑

使用正催化劑能夠降低反應所需的能量，使更多的反應物分子成為活化分子，大大提高了單位體積內(nèi)反應物分子的百分數(shù)，從而成千上萬倍地增大了反應物速率.負催化劑則反之。

4.濃度

當其它條件一致下，增加反應物濃度就增加了單位體積的活化分子的數(shù)目，從而增加有效碰撞，反應速率增加，但活化分子百分數(shù)是不變的。

5.其他因素

增大一定量固體的表面積（如粉碎），可增大反應速率，光照一般也可增大某些反應的速率；此外，超聲波、電磁波、溶劑等對反應速率也有影響。

二、化學反應中催化劑的作用

1.催化劑的類型

催化劑種類繁多，按狀態(tài)可分為液體催化劑和固體催化劑；按反應體系的相態(tài)分為均相催化劑和多相催化劑，均相催化劑有酸、堿、可溶性過渡金屬化合物和過氧化物催化劑。多相催化劑有固體酸催化劑、有機堿催化劑、金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、絡合物催化劑、稀土催化劑、分子篩催化劑、生物催化劑、納米催化劑等；按照反應類型又分為聚合、縮聚、酯化、縮醛化、加氫、脫氫、氧化、還原、烷基化、異構(gòu)化等催化劑；按照作用大小還分為主催化劑和助催化劑。

2.催化劑的作用

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，催化劑起到了巨大的作用，促進了工業(yè)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的效率，催化劑的研究和使用時當今世界熱點，據(jù)統(tǒng)計有80%以上的工業(yè)生產(chǎn)化學反應都會用到催化劑。

（1）催化劑的使用降低了工業(yè)生產(chǎn)的成本。一方面，催化劑的使用使工業(yè)生產(chǎn)中的化學反應更為充分，降低了工業(yè)生產(chǎn)的原料損耗，提高了生產(chǎn)效率。另一方面催化劑加快了化學反應的速度，提高了單位時間內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)量，節(jié)約了人力等成本，使企業(yè)在同一時間內(nèi)生產(chǎn)了更多的產(chǎn)品，節(jié)約了生產(chǎn)消耗。此外，一些催化劑的應用簡化了所需產(chǎn)品的加3131藝，使人類通過廉價的手段提取了高效益的能源、產(chǎn)品，創(chuàng)造了極大的社會效益。

（2）催化劑的使用提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力。如在工業(yè)合成氨的過程中，使用催化劑使合成氨的化學反應速率提升了上萬億被，大大的提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟價值和社會效益。

（3）催化劑能控制化學反應生成的產(chǎn)物。如在乙烯與氧氣的反應中，使用PdCl-CuCl2做催化劑可以生成乙醛；而使用銀作催化劑則會生成環(huán)氧乙烷。因此，生產(chǎn)中可以通過催化劑控制化學反應的生成產(chǎn)物，獲取生產(chǎn)所想要得到的新物質(zhì)。此外，對于復雜反應，催化劑可以有效的加快主反應的反應速率，對副反應起到一定的擬制作用，提高了生產(chǎn)中所需產(chǎn)物的收率。

（4）催化劑改善了化學反應的條件。如一些反應本身要在高溫下進行，才能確保反應和反應速率化學反應，加入催化劑后可在常溫下進行并確保反應的速率；又如一些反應對設備的腐蝕性嚴重，采用催化劑后可改變發(fā)生的化學反應，降低了反應過程中對設備的腐蝕，并確保了生產(chǎn)的順利進行。

（5）催化劑的使用使更多的化學反應得以實現(xiàn)，拓展了工業(yè)生產(chǎn)中化學反應的原料來源，為企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)掘出更多的資源。

（6）催化劑擬制了一些化工生產(chǎn)中危害物品的生成，降低了化學反應對環(huán)境的污染。如工業(yè)生產(chǎn)鄰苯二酚過程中，采用酶E.Coli做催化劑，使產(chǎn)物的生成定向為鄰苯二酚，避免了化學反應生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品的產(chǎn)生和廢棄物的生成，有效的保護了環(huán)境。

三、化學反應和催化劑應用的研究趨向

化學反應對人類的貢獻有目共睹，但化學反應造成的環(huán)境污染等負面影響也是不能小覷。早在二十世紀時人們就提出了綠色化工，隨著人類對化學反應及催化劑使用研究的深入，人類已掌握了很多提高化學反應效率，減少環(huán)境污染的措施，并將其運用到工業(yè)化工生產(chǎn)中，實現(xiàn)了化學反應對人類的無害服務。同時，人們利用化學反應不斷的開發(fā)新的能源，如在催化劑作用下將煤炭資源轉(zhuǎn)化為液體燃料，增強了能源的利用效率，還降低了煤炭不充分燃燒所帶來的環(huán)境污染問題。因此，未來化學反應與催化劑應用的研究方向就是綠色化工、能源化工。

隨著科技的發(fā)展，人類必將實現(xiàn)化學反應的無公害、無污染，并充分的利用催化劑等手段，拓展人類對能源原料的需求，進一步促進人類文明的發(fā)展。