化学工业中的味精——催化剂

催化剂在中学化学中经常出现，而且种类较多，涉及的化学反应也很多，很多同学在解决有关催化剂问题时往往表现出概念不清，分类不清，使用混淆等诸多问题。因此，有必要对催化剂的知识做一个较为全面的探讨。

一、催化剂的概念

所谓催化剂指的是在化学反应中能改变其它化学反应的速率（提高或降低），而自身的质量和化学性质在反应前后不变的物质。

催化剂所起的作用称为催化作用。固体催化剂在工业上也称为触媒。

催化剂从催化作用上可分为正催化剂和负催化剂。

正催化剂能加快化学反应速率，负催化剂能减慢化学反应速率。

负催化剂的研究意义远不及正催化剂，因此，如没有特别说明，一般都指的是正催化剂。

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；食用油脂里加入0.01%-0.02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做抑制剂)。

二、催化剂的发现

催化剂最早由瑞典化学家贝采里乌斯发现。

100多年前的一天，瑞典化学家贝采里乌斯在化学实验室忙碌地进行着实验，傍晚，他的妻子玛利亚准备了酒菜宴请亲友，祝贺他的生日。贝采里乌斯沉浸在实验中，把这件事全忘了，直到玛丽亚把他从实验室拉出来，他才恍然大悟，匆忙地赶回家。一进屋，客人们纷纷举杯向他祝贺，他顾不上洗手就接过一杯蜜桃酒一饮而尽。当他自己斟满第二杯酒干杯时，却皱起眉头喊道：“玛利亚，你怎么把醋拿给我喝!”玛利亚和客人都愣住了。玛丽亚仔细瞧着那瓶子，还倒出一杯来品尝，一点儿都没错，确实是香醇的蜜桃酒啊!贝采里乌斯随手把自己倒的那杯酒递过去，玛丽亚喝了一口，几乎全吐了出来，也说：“甜酒怎么一下子变成醋酸啦?”

客人们纷纷凑近来，观察着，猜测着这“神杯”发生的怪事。

贝采里乌斯发现，原来酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，发现手上沾满了在实验室研磨白金时给沾上的铂黑。他兴奋地把那杯酸酒一饮而尽。原来，把酒变成醋酸的魔力是来源于白金粉末，是它加快了乙醇(酒精)和空气中的氧气发生化学反应，生成了醋酸。

1836年，他首次提出“催化”与“催化剂”概念。

三、催化剂的主要分类

催化剂种类繁多，按状态可分为液体催化剂和固体催化剂；

按反应体系的相态分为均相催化剂和多相催化剂；

按照反应类型又分为聚合、缩聚、酯化、缩醛化、加氢、脱氢、氧化、还原、烷基化、异构化等催化剂；

按照作用大小还分为主催化剂和助催化剂。

⒈ 均相催化

催化剂与反应物均处于同一相中的催化作用，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。如均相酸碱催化、均相络合催化、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化。均相催化大多在液相中进行。均相催化剂以分子或离子独立起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性，副反应较少，但催化剂难以分离、回收和再生。

⒉ 多相催化

多相催化剂又称非均相催化剂，发生在两相界面上的催化作用。多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等；通常催化剂为多孔固体，反应物为液体或气体。固体催化剂表面是不均匀的，只有部分点对反应物分子发生化学吸附，称为活性中心。工业生产中的催化作用大多属于多相催化。

例如：在生产人造黄油时，通过固态镍(是一种多相催化剂)，能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。

⒊ 生物催化

生物体内在酶作用下进行的催化反应。其主要特点有三个：反应条件温和，具有高度专一性，具有高效催化活性。但受温度、溶液中的pH值、离子强度等因素影响较大。

酶作为催化剂主要在动物体内新陈代谢中起作用，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。

例如：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。

大约在37℃的温度中(人体的温度)，酶的工作状态是最佳的。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，在低温下使用最有效。

酶在生理学、医学、农业、工业等方面，都有重大意义。当前，酶制剂的应用日益广泛，某些酶还是珍贵的药物。

⒋ 自动催化

反应产物的自我催化作用。在一些反应中，某些反应的产物或中间体具有催化功能，使反应经过一段诱导期后速率大大加快。自催化作用是发生化学振荡的必要条件之一。

⒌ 其他

还有电催化、光助催化、光电催化等.....

四、催化剂的催化原理

当前，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。这样就会使更多的反应物分子成为活化分子，大大增加单位体积内反应物分子中活化分子所占的百分数，从而成千成万倍地增大化学反应速率。

⒈吸附作用理论在多相催化反应中，固体催化剂对反应物分子发生化学吸附作用，使反应物分子得到活化，降低了反应的活化能，而使反应速率加快。吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的区域(叫做活性中心)进行。活性中心的区域越大或越多，催化剂的活性就越强。

其催化反应按照下列步骤进行：

扩散—反应物扩散到催化剂的表面；

吸附—反应物被吸附到催化剂表面；

反应—被吸附的反应物在催化剂表面解离各键，并因此发生反应，生成新产物；

脱附—新的产物从催化剂表面解吸；

扩散—产物从催化剂表面扩散。

⒉中间产物理论在均相催化反应中，由于催化剂与反应物形成了很容易分解的“中间产物”，使反应机理转变为另一个拥用较低活化能的新机理，故反应速率得以提升。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。催化剂只是作为一个反应中介，本身在反应中不会被消耗，不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中分离出来。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。

其催化原理为：

A+C→AC

AC+B→AB+C

这两步的活化能都比E值小得多。根据阿伦尼乌斯公式k=Ae-E/RT，由于催化剂参与反应使E值减小，从而使反应速率显著提高。

也有某些反应，催化剂参与反应后，活化能E值改变不大，但指前因子A值明显增大(或解释为活化熵增大)，也导致反应速率加快。

五、催化剂的特点

⒈ 能够强烈的改变化学反应的速率。某些催化剂具有很高的活性，能够大大加快化学反应速率。例如，HI在500K分解时，加入某种Au的化合物作催化剂时，化学反应速率会增大约一千万倍。

⒉ 参加化学反应，虽然在反应前后总量不变(注意，不是在反应中总量不变)，其化学性质没有改变，但常有物理状态上的改变。

如实验室制O2用MnO2来催化KClO3的分解，反应后MnO2会由原来的颗粒状变为粉末状。 工业上NH3的催化氧化用的是铂网，使用一段时间后表面就会变得很粗糙。

⒊ 对可逆反应而言，若某物质对正反应是催化剂，则对逆反应也是催化剂，且催化效果相同，即该催化剂能同等程度地改变正逆反应的速率。所以催化剂可加快可逆反应达到化学平衡状态的时间，却不能改变化学平衡状态。

⒋ 催化剂有特殊的选择性(或专一性)。 催化剂和反应体系的关系就像锁与钥匙的关系一样。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，而不能用来加速所有的化学反应。

例如二氧化锰在氯酸钾受热分解中起催化作用，加快化学反应速率，但对其他的化学反应就不一定有催化作用。但同一催化剂亦可能重复参与催化反应。

某些化学反应并非只有唯一的催化剂，例如氯酸钾受热分解中能起催化作用的还有氧化镁、氧化铁和氧化铜等等，氯酸钾制取氧气时还可用红砖粉或氧化铜等做催化剂。

又如C2H5OH在使用不同的催化剂时会得到不同的产品。

在473-523K时用金属Cu或Ag做催化剂时得到CH3CHO和H2；

在623-633K时用Al2O3做催化剂时得到CH2=CH2和H2O；

在 673-723K时使用ZnO或Cr2CO3做催化剂时得到1,3—丁二烯等。

利用催化剂的选择性，可使化学反应主要向某一方向进行。

⒌ 被催化的反应的反应速率和催化剂的浓度成正比，对固体催化剂而言，单独增加其用量远不及设法增加其与反应物的接触面所起的效果好。

如实验室制O2应尽可能将KClO3和MnO2研成细粉，并充分混合以得到更好的效果。

又如工业上催化氧化NH3时要把金属铂制成铂网以增加和NH3、O2的接触面积。

⒍ 催化剂的催化效果与温度有关，同一催化剂在不同温度下的催化效果相差是很大的。 工业生产中涉及到有催化剂的可逆反应时，温度的选择首先考虑的就是催化剂活性最大时的温度。如工业合成氨的温度选700K就是因为该温度时铁触媒的活性最大。

⒎ 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极为重要。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

⒏ 某些杂质，即使少量也可强烈的影响催化剂的活性，使其失去催化作用，这称为催

化剂中毒。

如工业制H2SO4过程中，SO2在接触氧化之前一定要经过净化，除去其中的砷、硒化合物及矿尘等，它们都会使催化剂V2O5中毒。

六、 中学化学中有催化剂参加的反应

1、无机反应

2KClO3=(MnO2△)2KCl

+3O2↑

2H2O2=(MnO2)2H2O+O2↑

N2+3H2=(铁触媒 高温高压)

2NH3

4NH3+5O2=(Pt高温高压)

4NO＋6H2O

2SO2＋O2=(V2O5加热)

2SO3

臭氧层的破坏主要是由于氟利昂CCl2F2受太阳紫外线照射分解出的卤素原子催化了O3的分解：

2O3=(Cl)3O2

3I2+2Al=(H2O)2AlI3

该反应在通常情况很难进行，滴加1-2滴水后迅速反应，反应放出的热量会使未反应的I2升华成紫色的蒸气，通常称该反应为“滴水生烟”，此外将Al粉换成Mg、Zn、Fe、Cu，亦可进行。

2、 有机反应

有机反应往往进行得较慢，且常伴有副反应发生，因此常要加热、加催化剂等外界条件， 而催化剂使用较多的有酸类（浓H2SO4、稀H2SO4等）和金属类。

⑴ 浓 H2SO4作催化剂

主要是包括醇类的脱水、酯化反应、硝化反应、纤维素的水解等。

2C2H5OH→(140℃

浓H2SO4)C2H5OC2H5

+H2O

2CH3CH2OH→(170℃

浓H2SO4)CH2=CH2↑+H2O

C2H5OH+CH3COOH→

(△浓H2SO4)

CH3COOCH2CH3+H2O

(C6H10O5)n(纤维素)+

nH2O→(△浓H2SO4)

nC6H12O6(葡萄糖)

⑵ 稀H2SO4作催化剂

主要是一些水解反应，如酯类水解、糖类水解。

CH2=CH2+H2O→(加热加

压稀H2SO4)CH3CH2OH

CH3CH2OCH2CH3+H2O

→(△稀H2SO4)CH3COOH

+CH3CH2OH

C12H22O11(蔗糖)+H2O→

(稀H2SO4)C6H12O6(葡

萄糖)+C6H12O6(果糖)

C12H22O11(麦芽糖)+H2O

→(稀H2SO4)C6H12O6

(葡萄糖)

2(C6H10O5)n(淀粉纤维素)

+nH2O→(稀H2SO4)

C6H12O6(葡萄糖)

值得注意的是很多同学认为酯类水解加碱也可起催化作用，实际上碱不是催化剂，加入碱会中和水解产生的酸，使水解平衡正向移动并趋于完全。

⑶ 金属催化剂

主要包括不饱和结构与H2的加成，醇的催化氧化。

CH2=CH2+H2→(△Ni)

CH3CH3

CH≡CH+2H2→(△Ni)

CH3CH3

2CH3CH2OH＋O2→(△Cu

或Ag)2CH3CHO＋2H2O

⑷ 酶

C6H12O6(葡萄糖)→(酒化

酶)CH3CH2OH+2CO2↑

⑸ 其他催化剂

CH≡CH+HCl→(△HgCl2)

CH2=CHCl

CH2=CH2+O2→

（PdCl2-CuCl2加热加压）

CH3CH2OH

CH≡CH+H2O→(HgSO4

高温高压)CH3CHO

C6H6+Cl2→(光)C6H5Cl

+HCl

2CH3CHO+O2→(△催化剂)

2CH3COOH

CH3CH2Br＋NaOH→(△水)

CH3CH2OH＋NaBr

CH3CH2Br＋NaOH→

(△乙醇)CH2=CH2↑＋NaBr

＋H2O

七、催化剂的用途

催化剂被人们称作工业的味精，在现代化学工业中占有极其重要的地位，在化工生产、科学实验和生命活动中，催化剂都大显身手。目的是加快反应速率，提高生产效率。据统计，约有90%以上的化工生产使用催化剂，如氨、硫酸、硝酸的合成，石油、天然气、煤的综合利用，乙烯、丙烯、苯乙烯等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。燃料电池堆显示了电化学过程中催化剂的使用。汽车尾气中含有害的CO和NO，利用铂等金属作催化剂可以迅速将二者转化为无害的二氧化碳和氮气。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行，酿造业、制药业等都要用催化剂催化。

在炼油厂，催化剂更是少不了，选用不同的催化剂，就可以得到不同品质的汽油、煤油。催化重整是一种化学过程，可将低辛烷值的轻质烃原料转化为高辛烷值重整产品，是将粗石脑油升级为优质混合原料的过程，可用作无铅汽车燃料，芳烃和氢气。

重整过程中使用的催化剂主要以铂为活性催化剂。当铂与其他金属（例如铼）结合形成双金属或多金属催化剂时，铼的加入极大地改善了催化剂的使用寿命和稳定性。因为它降低了焦炭的生成速率，并将其对催化剂性能的破坏程度降到最低；铼还可以提高催化剂的选择性和活性，从而提高工艺的产率，显著提高催化剂的效果。

在资源利用、能源开发、医药制造、环境保护等领域，催化剂也大有作为，科学家正在这些领域探索适宜的催化剂以期有新的突破。