A+醫(yī)學(xué)百科 >> 催化

催化(catalysis)，改變化學(xué)反應(yīng)速率而不影響化學(xué)平衡的作用。能顯著提高化學(xué)反應(yīng)速率，其自身的組成和數(shù)量在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)稱(chēng)為催化劑。催化劑改變化學(xué)反應(yīng)速率的作用稱(chēng)催化作用，它本質(zhì)上是一種化學(xué)作用。在催化劑參與下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)稱(chēng)催化反應(yīng)。催化是自然界中普遍存在的重要現(xiàn)象，催化作用幾乎遍及化學(xué)反應(yīng)的整個(gè)領(lǐng)域。催化工藝已是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石，人的生命活動(dòng)也與催化反應(yīng)有密切聯(lián)系。研究催化還有重要的理論意義，有助于揭示物質(zhì)及其變化的基本性質(zhì)。

簡(jiǎn)史 　早在公元前，中國(guó)已會(huì)用酒曲（生物酶催化劑）造酒。18世紀(jì)中葉，鉛室法制硫酸中用一氧化氮作催化劑是工業(yè)上采用催化劑的開(kāi)始。催化這個(gè)詞是1835年J.J.貝采利烏斯引用到化學(xué)學(xué)科中來(lái)的。1902年W.奧斯特瓦爾德將催化定義為：“加速化學(xué)反應(yīng)而不影響化學(xué)平衡的作用?！?910年實(shí)現(xiàn)合成氨的大規(guī)模生產(chǎn)，是催化工藝發(fā)展史上的里程碑。20世紀(jì)以來(lái)，催化工藝迅速發(fā)展，例如，20年代研究成功用鈷催化劑由一氧化碳和氫合成液體燃料的費(fèi)-托法；1955年研究成功齊格勒-納塔催化劑，用于烯烴定向聚合；現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)和煉油工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程，已有80％以上使用了催化方法。

原理 

目錄 1 降低活化能 2 催化劑表面性能 3 催化劑的作用方式 4 催化劑的性能指標(biāo) 5 助催化劑 6 抑制劑 7 催化劑載體 8 均相催化 9 多相催化 10 生物催化 11 金屬催化 12 金屬氧化物催化 13 配位（絡(luò)合）催化 14 酸堿催化 15 多功能催化

降低活化能

在催化反應(yīng)過(guò)程中，至少必須有一種反應(yīng)物分子與催化劑發(fā)生了某種形式的化學(xué)作用。由于催化劑的介入，化學(xué)反應(yīng)改變了進(jìn)行途徑，而新的反應(yīng)途徑需要的活化能較低，這就是催化得以提高化學(xué)反應(yīng)速率的原因。例如，化學(xué)反應(yīng)A+B─→AB，所需活化能為E，在催化劑C參與下，反應(yīng)按以下兩步進(jìn)行：

A+C─→AC，所需活化能為E₁

AC+B─→AB+C，所需活化能為E₂

E₁、E₂都小于E (見(jiàn)圖)。催化劑C只是暫時(shí)介入了化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，催化劑C即行再生。

按阿倫尼烏斯方程k＝Ae_-E/RT(式中A為指前因子;R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度)，以反應(yīng)速率常數(shù)k表示的反應(yīng)速率主要決定于反應(yīng)活化能E，若催化使反應(yīng)活化能降低ΔE，則反應(yīng)速率即提高e_-ΔE/RT倍。催化反應(yīng)一般能降低活化能約10千卡/摩爾，若反應(yīng)在300K下進(jìn)行，則反應(yīng)速率可增加約1.7×10⁷倍。

催化劑表面性能

多相催化是工業(yè)上應(yīng)用最多的，這種催化作用在催化劑表面上進(jìn)行，因此，固體催化劑的表面性質(zhì)對(duì)催化作用就會(huì)有很大影響。催化劑比表面積大，表面上活化中心點(diǎn)多，表面對(duì)反應(yīng)物吸附能力強(qiáng)，這些都對(duì)催化活性有利，因?yàn)榛瘜W(xué)吸附能降低反應(yīng)活化能。表面孔隙度大和孔徑大小合適對(duì)催化劑的選擇性有利，例如分子篩催化劑的極強(qiáng)的選擇性，就是由于它的孔徑尺寸只能允許某種分子進(jìn)入孔內(nèi)，到達(dá)催化劑表面而被催化。

催化劑的作用方式

催化劑與反應(yīng)物分子怎樣發(fā)生化學(xué)作用，這與催化劑和反應(yīng)物分子本身的性質(zhì)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明：有機(jī)化合物的酸催化反應(yīng)一般是通過(guò)正碳離子機(jī)理進(jìn)行的；堿催化反應(yīng)則是由OH^-、RO^-、RCOO^-等陰離子起催化作用，例如：

CH₃COOC₂H₅+OH^-─→CH₃COOH+C₂H₅O^-

C₂H₅O^-+H₂O─→C₂H₅OH+OH^-

過(guò)渡金屬化合物催化劑在均相催化反應(yīng)中的作用是絡(luò)合催化作用；醇鈉催化丁二烯聚合是通過(guò)自由基機(jī)理進(jìn)行的，例如：

C₄H₆+NaR─→R.+C₄H₆Na.

C₄H₆Na.+nC₄H₆─→Na(C₄H₆)_n+1

催化劑 

催化劑的性能指標(biāo)

①催化活性：催化劑參與了化學(xué)反應(yīng)，降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能，大大加快了化學(xué)反應(yīng)的速率。這說(shuō)明催化劑具有催化活性。催化反應(yīng)的速率是催化劑活性大小的衡量尺度?；钚允窃u(píng)價(jià)催化劑好壞的最主要的指標(biāo)。②選擇性：一種催化劑只對(duì)某一類(lèi)反應(yīng)具有明顯的加速作用，對(duì)其他反應(yīng)則加速作用甚小，甚至沒(méi)有加速作用。這一性能就是催化劑選擇性。催化劑的選擇性決定了催化作用的定向性?？赏ㄟ^(guò)選擇不同的催化劑來(lái)控制或改變化學(xué)反應(yīng)的方向。③壽命或穩(wěn)定性：催化劑的穩(wěn)定性以壽命表示。它包括熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和抗毒穩(wěn)定性。

助催化劑

本身不具有催化活性，但加入后（加入量一般低于催化劑量的10％）可顯著提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。一種工業(yè)催化劑往往要加入幾種助催化劑，才能使催化劑的活性、選擇性和壽命都達(dá)到預(yù)定要求。例如，合成氨用的雙促進(jìn)催化劑鐵-三氧化二鋁-氧化鉀中的三氧化二鋁和氧化鉀就是助催化劑。

抑制劑

催化劑中含有的能降低催化劑活性的物質(zhì)。在多數(shù)場(chǎng)合，它是在催化劑制備過(guò)程中由原料不可避免地帶入的。在催化反應(yīng)過(guò)程中，由反應(yīng)物帶入的抑制劑則稱(chēng)催化毒物。

催化劑載體

不具有催化活性的用來(lái)負(fù)載催化劑的固體物質(zhì)。把催化劑成分分散負(fù)載在載體上制成的催化劑稱(chēng)負(fù)載型催化劑。常用的催化劑載體有活性碳、硅藻土、活性氧化鋁、硅膠和分子篩。對(duì)載體的要求是機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好。載體雖不具有催化活性，但它可能與催化劑發(fā)生化學(xué)作用，載體也改變了催化劑的表面性能，因而選用合適的載體，也可以提高催化劑的活性、選擇性和壽命。

催化反應(yīng)和催化劑的種類(lèi) 

均相催化

催化劑與反應(yīng)物同處于一均勻物相中的催化作用。有液相和氣相均相催化。液態(tài)酸堿催化劑，可溶性過(guò)渡金屬化合物催化劑和碘、一氧化氮等氣態(tài)分子催化劑的催化屬于這一類(lèi)。均相催化劑的活性中心比較均一，選擇性較高，副反應(yīng)較少，易于用光譜、波譜、同位素示蹤等方法來(lái)研究催化劑的作用，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一般不復(fù)雜。但均相催化劑有難以分離、回收和再生的缺點(diǎn)。

多相催化

多相催化發(fā)生在兩相的界面上，通常催化劑為多孔固體，反應(yīng)物為液體或氣體。多相催化反應(yīng)通常可按下述七步進(jìn)行：①反應(yīng)物的外擴(kuò)散──反應(yīng)物向催化劑外表面擴(kuò)散；②反應(yīng)物的內(nèi)擴(kuò)散──在催化劑外表面的反應(yīng)物向催化劑孔內(nèi)擴(kuò)散；③反應(yīng)物的化學(xué)吸附；④表面化學(xué)反應(yīng)；⑤產(chǎn)物脫附；⑥產(chǎn)物內(nèi)擴(kuò)散；⑦產(chǎn)物外擴(kuò)散。這一系列步驟中反應(yīng)最慢的一步稱(chēng)為速率控制步驟?；瘜W(xué)吸附是最重要的步驟，化學(xué)吸附使反應(yīng)物分子得到活化，降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能。因此，若要催化反應(yīng)進(jìn)行，必須至少有一種反應(yīng)物分子在催化劑表面上發(fā)生化學(xué)吸附。固體催化劑表面是不均勻的，表面上只有一部分點(diǎn)對(duì)反應(yīng)物分子起活化作用，這些點(diǎn)被稱(chēng)為活性中心。

生物催化

酶是一種生物催化劑，生物體內(nèi)的所有化學(xué)變化幾乎都是在酶催化下進(jìn)行的，酶的催化作用稱(chēng)為生物催化。酶的催化活性高，選擇性強(qiáng)。生物催化在常溫中性條件下進(jìn)行，高溫、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿都會(huì)使酶喪失活性。離體的酶仍具有催化活性，可制成各種酶制劑應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。

其他還有電催化、光助催化、光電催化等。

按催化作用機(jī)理，可把催化劑分為金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、配位（絡(luò)合）催化劑、酸堿催化劑和多功能催化劑。

金屬催化

金屬催化劑主要用于脫氫和加氫反應(yīng)。有些金屬還具有氧化和重整的催化活性。金屬催化劑主要是指4、5、6周期的某些過(guò)渡金屬，如鐵、金、鉑、鈀、銠、銥等。金屬催化主要決定于金屬原子的電子結(jié)構(gòu)，特別是沒(méi)有參與金屬鍵的d軌道電子和d空軌道與被吸附分子形成吸附鍵的能力。因此，金屬催化劑的化學(xué)吸附能力和d軌道百分?jǐn)?shù)是決定催化活性的主要因素。

金屬氧化物催化

主要是指過(guò)渡金屬氧化物催化，非過(guò)渡金屬氧化物催化已歸入酸堿催化。過(guò)渡金屬氧化物催化劑廣泛用于氧化、加氫、脫氫、聚合、加合等反應(yīng)。實(shí)用的金屬氧化物催化劑常為多組分氧化物的混合物，很多金屬氧化物催化劑是半導(dǎo)體，其化學(xué)組成大多是非化學(xué)計(jì)量的，因此，催化劑組分很復(fù)雜。金屬氧化物催化劑的導(dǎo)電性和逸出功、金屬離子的 d電子組態(tài)、氧化物中晶格氧特性、半導(dǎo)體電子能帶、催化劑表面吸附能力等，都與催化劑的催化活性有關(guān)。

配位（絡(luò)合）催化

金屬、特別是過(guò)渡金屬及其化合物有很強(qiáng)的絡(luò)合能力，能形成多種類(lèi)型的絡(luò)合物。某些分子與金屬（或金屬離子）絡(luò)合后便易于進(jìn)行某特定反應(yīng)，該反應(yīng)稱(chēng)為配位（絡(luò)合）催化反應(yīng)，該金屬或其化合物起絡(luò)合催化劑作用。過(guò)渡金屬絡(luò)合催化劑在溶液中作為均相催化劑方面的研究和應(yīng)用較多。過(guò)渡金屬絡(luò)合催化作用一般都是配位（絡(luò)合）催化作用，即催化劑在其空配位上絡(luò)合活化反應(yīng)物分子。絡(luò)合催化劑一般都是金屬絡(luò)合物或化合物，如鈀、銠、鈦、鈷的絡(luò)合物等。

酸堿催化

阿倫尼烏斯酸堿、布侖斯惕酸堿、路易斯酸堿(見(jiàn)酸堿理論)的催化作用都屬酸堿催化作用。酸堿催化可分均相催化和多相催化。許多離子型有機(jī)反應(yīng)，如水解、水合、脫水、縮合、酯化、重排等，?？捎盟釅A均相催化。固體酸催化劑廣泛用于催化裂化、異構(gòu)化、烷基化、脫水、氫轉(zhuǎn)移、歧化、聚合等反應(yīng)。

多功能催化

若反應(yīng)物A直接變成產(chǎn)物B的反應(yīng)難以進(jìn)行，則可通過(guò)幾個(gè)催化化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如：

S_Ⅰ、S_Ⅱ分別為兩個(gè)反應(yīng)的催化劑，則可將S_Ⅰ、S_Ⅱ混合起來(lái)制成雙功能催化劑，使A→B的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。這就是多功能催化。多功能催化與一個(gè)催化反應(yīng)的多步驟是有區(qū)別的，此處的C不是在催化劑表面形成的中間絡(luò)合物，而是由S_Ⅰ表面脫附出來(lái)的、有其自己的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)。

應(yīng)用 　現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的巨大成就與催化劑的使用是分不開(kāi)的。約80％以上的化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品是借助于催化過(guò)程來(lái)生產(chǎn)的，可以說(shuō)，沒(méi)有催化劑就沒(méi)有現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。

催化劑的使用，使人類(lèi)對(duì)自然資源的利用更合理，利用的途徑更廣闊。例如，從煤炭和石油資源出發(fā)合成了甲醇、乙醇、丙酮、丁醇等基本有機(jī)原料，改變了過(guò)去用糧食生產(chǎn)的途徑；合成纖維的生產(chǎn)減輕了人類(lèi)對(duì)棉花的依賴(lài)；塑料的發(fā)展減輕了人類(lèi)對(duì)木材的依賴(lài)。合成橡膠、化肥、醫(yī)藥、合成食品、調(diào)味品的生產(chǎn)都與催化劑的使用分不開(kāi)?？傊呋夹g(shù)使人們更充分地利用自然資源，生活得更加豐富多彩。

催化劑的使用和更新及更有效的催化劑的出現(xiàn)，都會(huì)促進(jìn)技術(shù)革新，改變工業(yè)面貌，節(jié)約能源，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，生產(chǎn)出質(zhì)量更高的產(chǎn)品。例如硫酸的生產(chǎn)，開(kāi)始是用一氧化氮作催化劑的鉛室法，產(chǎn)品濃度低、雜質(zhì)多、產(chǎn)量?。挥勉K作催化劑可使硫酸產(chǎn)品濃度達(dá)98％以上，可制得發(fā)煙硫酸；用釩作催化劑后，產(chǎn)品質(zhì)量大大提高，成本大幅度下降。又如煉油工業(yè)中的催化裂化，用分子篩催化劑代替無(wú)定形硅鋁膠催化劑后，由于分子篩的擇形作用，改變了裂化產(chǎn)物的分布，得到了高質(zhì)量產(chǎn)品。催化劑的使用可改變工藝流程，減少三廢；催化轉(zhuǎn)化還是治理三廢變廢為寶的有效方法。

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