中學(xué)催化劑的種類及應(yīng)用研究

華煜青（杭州第十四中學(xué)康橋校區(qū)，浙江 杭州 310015）

中學(xué)催化劑的種類及應(yīng)用研究

華煜青（杭州第十四中學(xué)康橋校區(qū)，浙江 杭州 310015）

催化劑是化學(xué)中最常見的物質(zhì)之一，它能改變化學(xué)反應(yīng)速率，縮短或延長反應(yīng)完成時間。幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都可以在催化劑的作用下提高生產(chǎn)效率，因此找到合適的催化劑至關(guān)重要。介紹催化劑的性質(zhì)及其對化學(xué)反應(yīng)的作用機理，舉例說明中學(xué)用到催化劑的化學(xué)反應(yīng)，并對其催化機理作簡要分析，最后總結(jié)催化劑的發(fā)展趨勢。

催化劑；種類；機理

催化劑又稱之為觸媒，是指改變化學(xué)反應(yīng)速率，但其自身的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量都不變的元素或化合物。催化劑用量小，作用大，分別應(yīng)用于加氫、脫氫、聚合、酯化等催化反應(yīng)。

中學(xué)課本里，對催化劑的催化解釋是不參與化學(xué)反應(yīng)，但在一些文獻(xiàn)及試題中都有關(guān)于催化劑參與反應(yīng)的問題。因此，本文對中學(xué)涉及到的催化劑進(jìn)行探討，介紹催化劑的性質(zhì)，從催化機理上解釋催化劑發(fā)揮作用的方式。通過舉若干例子，對化學(xué)反應(yīng)中的催化機理進(jìn)行逐一分析，得出催化劑是否參與反應(yīng)的結(jié)論。

1 催化劑與化學(xué)反應(yīng)

1.1 催化劑的性質(zhì)

催化劑是指改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率而不改變化學(xué)平衡，且本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)。

催化劑對化學(xué)反應(yīng)的影響有正催化作用也有逆催化作用，正催化作用即加快化學(xué)反應(yīng)速率，逆催化作用即減慢化學(xué)反應(yīng)速率，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的要求不同，利用催化劑對化學(xué)反應(yīng)完成時間進(jìn)行控制。在整個化學(xué)反應(yīng)中，催化劑只是影響反應(yīng)速率，因此它的質(zhì)量化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生任何變化，但是其物理性質(zhì)可能會變成變化。一般情況下，催化劑僅僅對改變某一化學(xué)反應(yīng)有幫助，而對于其他的化學(xué)反應(yīng)影響微乎其微，因此，催化劑具有選擇性。此外，催化劑在參與化學(xué)反應(yīng)時，可能需要一定的溫度、壓力，讓催化劑達(dá)到最大的使用活性，即催化劑具有一定活性。

1.2 催化劑的作用機理

催化劑的作用機理有兩種解釋，即催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)和催化劑參與化學(xué)反應(yīng)兩種。

1.2.1 催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)

在中學(xué)課本上，催化劑在反應(yīng)前后，本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)都不發(fā)生變化，但是其物理性質(zhì)可能發(fā)生變化，視具體的化學(xué)反應(yīng)而呈現(xiàn)不同的變化形態(tài)。

1.2.2 催化劑參與化學(xué)反應(yīng)

這種理論解釋是基于活化能原理，所謂活化能是指分子從常態(tài)轉(zhuǎn)化為容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需的最小能量，這是由瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯提出的。催化劑在化學(xué)反應(yīng)中參與反應(yīng)，與反應(yīng)物生成一種中間產(chǎn)物，該過程所需的活化能要比原反應(yīng)物所需的活化能要小很多。反應(yīng)過程可以表述如下

式中A，B是反應(yīng)物，C是催化劑。

2 催化劑的種類及應(yīng)用

若按照催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的解釋，催化劑首先與KClO3反應(yīng)，生成高錳酸鉀、氯氣和氧氣，如式（2）所示，而后高錳酸鉀在加熱的環(huán)境下分解成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣，如式所示（3），最后，錳酸鉀和氯氣反應(yīng)，生成氯化鉀、二氧化錳和氧氣，如式（4）。綜上，要判斷MnO2是否參與反應(yīng)，只需測定生成的氧氣中的純度，是否混有氯氣。目前，對于MnO2催化作用還沒有完全弄清楚，主要是因為反應(yīng)制得的氧氣中含有氯氣的氣味。

二氧化錳的催化作用還被應(yīng)用在過氧化氫H2O2分解實驗中，這也是實驗室制取氧氣的一種方法。在常溫下，過氧化氫就可以自分解成氧氣和水，但是反應(yīng)很慢，當(dāng)在試管中加入少量的二氧化錳時，有大量的氣泡冒出，由帶火星的木條測試知是氧氣，其化學(xué)反應(yīng)方程式如式（5）所示，在這個反應(yīng)中二氧化錳作為催化劑，通過降低反應(yīng)的活化能，單位體積內(nèi)的活化分子百分?jǐn)?shù)增加，使得過氧化氫的分解速率加快。

2.1 金屬催化劑

2.1.1 二氧化錳

二氧化錳是中學(xué)化學(xué)力最常見到的催化劑，如在氯酸鉀(KClO3)分解制取氧氣的實驗中，讓氯酸鉀與二氧化錳（MnO2）進(jìn)行混合加熱到200℃，可以釋放出氧氣與氯化鉀。這種方法是一種常見的實驗室制氧法。通常會在反應(yīng)堆里加入二氧化錳，能夠很明顯的觀察到試管一端氣體冒出。若催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)，則化學(xué)反應(yīng)式可以表述為式（1）；

2.2.2 鐵觸媒

鐵觸媒主要成分是指＋2價鐵和＋3價鐵組成的氧化物，工業(yè)制取氨氣通常采用鐵觸媒作為催化劑，在高溫500℃、高壓20MPa~50MPa的反應(yīng)爐里，氮氣N2和氫氣H2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氨氣.

3 催化劑的發(fā)展展望

3.1 催化劑的微觀解釋

幾乎所有的金屬催化劑都是過渡金屬或者貴金屬，它主要催化的化學(xué)反應(yīng)是加氫、脫氧反應(yīng)。對于過渡金屬元素，其最外層有1~2個電子，次外層有1~10個電子，因此（n-1）dns有未成對的電子。即使d電子完全充滿，根據(jù)能量躍遷原則，也有可能躍遷到s層軌道上，因此d軌道上有未成對的電子，從而產(chǎn)生化學(xué)吸附。所謂化學(xué)吸附是指吸附質(zhì)和吸附劑的表面產(chǎn)生化學(xué)鍵，即原子間發(fā)生了電子交換、移動。因此，催化劑與反應(yīng)物的化學(xué)吸附分析結(jié)果決定了催化劑是否能發(fā)揮作用。液體催化劑的催化是由于在液體中，反應(yīng)物、催化劑以離子形式存在，增大了反應(yīng)物與催化劑的接觸機會，使得反應(yīng)向右進(jìn)行。對于酶，其分子結(jié)構(gòu)是剛性的，但是其表面具有特定的形狀，與反應(yīng)物結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)，而對于其他反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)不起作用，這種目前對酶催化的一種微觀解釋。

3.2 催化劑的發(fā)展趨勢

3.2.1 高效節(jié)能

催化劑的作用是改變化學(xué)反應(yīng)的速率，就目前中學(xué)接觸到的，都是正催化劑，即加快反應(yīng)的進(jìn)行。在實際的化學(xué)反應(yīng)中也有負(fù)催化劑，如減緩某些氣體產(chǎn)出的速率，防止壓力驟增，發(fā)生爆炸。對于任何一款催化劑，選擇標(biāo)準(zhǔn)是希望催化速率快、轉(zhuǎn)化效率高，能夠在較短的時間內(nèi)發(fā)生作用，減小反應(yīng)控制的難度，即在常溫常壓下即可發(fā)生作用。

3.2.2 綠色催化

隨著資源數(shù)量的日益減少，環(huán)境質(zhì)量的不斷惡化，霧霾、沙塵，水土流失等現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，工業(yè)發(fā)展與環(huán)境的和諧發(fā)展很早就被提出來了，雖然有一定的改善和進(jìn)步，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不斷夠。催化劑作為現(xiàn)代化工必不可少的一環(huán)，它的使用和處理也成為綠色化工中很重要的問題。雖然催化劑在化學(xué)反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)不變，質(zhì)量不變，但是在使用過程中受種種因素干擾，如某些外來反應(yīng)物、反應(yīng)溫度過高、壓力過大等，會使得催化劑緩慢甚至快速失活，而且這種失活是不可逆的。一旦催化劑失活，則在該化學(xué)反應(yīng)中即是廢料，如何對廢料處理，變廢為寶是綠色化工中一直考慮的問題。因此，催化劑的選用、以及催化劑的處理是未來催化劑的一個重要研究方向，選擇合適的催化劑，既能保證化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，也能減少或者消除產(chǎn)生對人類健康和環(huán)境有害的產(chǎn)物。

4 結(jié)語

催化劑的研制及其技術(shù)的發(fā)展，是化學(xué)工業(yè)中優(yōu)先發(fā)展的重點，找到一款合適的催化劑，化學(xué)反應(yīng)就成功了一大半。現(xiàn)在中學(xué)課本接觸到的催化劑大都是簡單的實驗室方法和部分工業(yè)方法，對于工業(yè)上使用催化劑要復(fù)雜的多。催化劑的理論研究仍在繼續(xù)，活化能理論在一定程度解釋了發(fā)生催化反應(yīng)的實質(zhì)，在微觀層面上，如原子、電子等，一些新的催化理論正在進(jìn)行當(dāng)中。

[1]王祖浩.化學(xué)[M].江蘇教育出版社,1999.

[2]陳文召.催化劑在化學(xué)中的角色及其應(yīng)用[J].吉林教育, 2008(25):75-76.

華煜青（1999-），女。