催化劑的催化機(jī)制
——以水溶劑為例解析

孫繼傳 孫仕宇

(1.安徽審計(jì)職業(yè)學(xué)院 230601;2.安徽省合肥市第三中學(xué) 230001)

自從1835年由貝采里烏斯提出催化概念之后，先后出現(xiàn)了“活性中間化合物假說(shuō)”、“吸附理論”、“活性中心理論”、“多位催化理論”及“催化的電子理論”等多個(gè)解釋催化劑催化機(jī)制的理論.催化理論得以不斷完善.本文旨在從水溶劑的角度，借助現(xiàn)有的溶解、電離、絡(luò)合物等成熟理論，分析、探究催化劑的催化機(jī)制.

過(guò)去的中學(xué)課本中，演示催化劑神奇功效的實(shí)驗(yàn)通常是用氯酸鉀和二氧化錳加熱制取氧氣.在僅有氯酸鉀的條件下，氯酸鉀在高溫下只能緩慢分解釋放出氧氣.但在氯酸鉀中加入少量的二氧化錳后，只要稍微加熱，氯酸鉀就會(huì)立即分解，釋放出氧氣，且二氧化錳在化學(xué)反應(yīng)的前后其質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生改變，可見(jiàn)二氧化錳在氯酸鉀制取氧氣的過(guò)程中起著催化劑的作用.值得注意的是，盡管二氧化錳在氯酸鉀制取氧氣的前后，其質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生改變，但它的物理性質(zhì)卻發(fā)生了變化，即從原來(lái)的顆粒狀黑色斜方晶體變成了粉末狀固體.這足以說(shuō)明二氧化錳確實(shí)參與了化學(xué)反應(yīng).但二氧化錳到底是如何參與并改變氯酸鉀的化學(xué)反應(yīng)速度的？?jī)H憑氯酸鉀和二氧化錳加熱制取氧氣的實(shí)驗(yàn)，很難揭示其機(jī)制.因此，為揭示催化劑的催化機(jī)制，特意設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，借以分析催化劑的催化機(jī)制.

一、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一：固體五水硫酸銅晶體和片狀氫氧化鈉晶體的反應(yīng)

取少量的五水硫酸銅晶體和適量的片狀氫氧化鈉晶體加入同一燒杯中，靜置，觀察其化學(xué)反應(yīng)速度.

結(jié)論：在常溫和晶體狀態(tài)下，五水硫酸銅晶體和片狀氫氧化鈉晶體之間沒(méi)有明顯的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生.

實(shí)驗(yàn)二：固體五水硫酸銅晶體和片狀氫氧化鈉晶體混合物加水實(shí)驗(yàn)

取少量的五水硫酸銅晶體和適量的片狀氫氧化鈉晶體加入燒杯中，再往燒杯中加入適量的水，觀察其化學(xué)反應(yīng)發(fā)生情況.

現(xiàn)象：加入水后，五水硫酸銅晶體和適量的片狀氫氧化鈉晶體之間立刻就發(fā)生了化學(xué)反應(yīng).晶體表面顏色加深.根據(jù)目前已有的理論知識(shí)可知，它們反應(yīng)后生成了氫氧化銅藍(lán)色沉淀和硫酸鈉.

結(jié)論：水明顯加快了五水硫酸銅晶體和片狀氫氧化鈉晶體之間的化學(xué)反應(yīng)速度.

實(shí)驗(yàn)三：硫酸銅水溶液和氫氧化水溶液之間的化學(xué)反應(yīng)

第一步，取少量的五水硫酸銅晶體加入試管中并加入適量的水，振蕩使之充分溶解.硫酸銅水溶液呈透明的淡藍(lán)色.

第二步，取少量的片狀氫氧化鈉晶體加入燒杯中，然后往燒杯中加入適量的水.搖動(dòng)燒杯使氫氧化鈉完全溶于水.氫氧化鈉水溶液是無(wú)色透明液體.

第三步，將試管中的淡藍(lán)色硫酸銅水溶液緩慢倒入盛有氫氧化鈉水溶液的燒杯中.兩者相遇立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化銅藍(lán)色沉淀，液體的透明度也明顯降低.靜置后，沉淀物下沉，液體顏色變淡、變透明.

二、實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)比實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二可以發(fā)現(xiàn)，水明顯大大加快了硫酸銅和氫氧化鈉之間的反應(yīng)速度.根據(jù)現(xiàn)有的化學(xué)理論知識(shí)可知，在化學(xué)反應(yīng)的前后，水的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生變化.可見(jiàn)，水在硫酸銅和氫氧化鈉的化學(xué)反應(yīng)中起著催化劑的作用.

三、催化機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)有的電離理論可知，在實(shí)驗(yàn)三中，當(dāng)五水硫酸銅晶體放入水中后，在水分子的作用下電離，分別與水分子結(jié)合生成水合硫酸根離子和水合銅離子；當(dāng)氫氧化鈉晶體放入水中后，在水分子的作用下，分別電離生成水合氫氧根離子和水合鈉離子.此時(shí)的水合硫酸根離子、水合銅離子、水合氫氧根離子和水合鈉離子都是很穩(wěn)定的水合離子(即中間態(tài)物質(zhì)).但當(dāng)硫酸銅水溶液和氫氧化鈉水溶液相遇時(shí)，由于水合銅離子和水合氫氧根離子中的銅離子和氫氧根離子之間的電化學(xué)鍵作用力遠(yuǎn)大于它們與水分子之間的結(jié)合力，銅離子和氫氧根離子便立即擺脫水分子的糾纏，結(jié)合生成難溶于水的氫氧化銅藍(lán)色沉淀，析出水分子.所以，在化學(xué)反應(yīng)的前后，水的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生變化，即水在此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中起著催化劑的作用.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)一、二、三可以推知，水的催化劑機(jī)制是：水分子首先和五水電離硫酸銅晶體和氫氧化鈉晶體作用，生成相對(duì)穩(wěn)定的中間態(tài)物質(zhì)——水合離子.當(dāng)兩個(gè)電性相反的水合離子相遇時(shí)，若其中正、負(fù)離子之間的電化學(xué)鍵引力大于它與水分子與之間的結(jié)合力，則正、負(fù)離子就會(huì)擺脫水分子，相互結(jié)合生成新物質(zhì)，析出水，完成化學(xué)反應(yīng).另一方面，由于水的電離作用瓦解了原有晶體中離子之間的化學(xué)鍵，使離子從晶體中分離出來(lái)，這也大大增加了銅離子和氫氧根離子之間的接觸機(jī)會(huì)，從而大大加快了它們之間的化學(xué)反應(yīng)速度.依此類推，所有以水為溶劑的化學(xué)反應(yīng)，水在其中都起著催化劑的作用.同理可推知，溶劑都是相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的催化劑.

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析可以推知，催化劑的催化機(jī)制是：催化劑首先和參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)相互作用，生成相對(duì)穩(wěn)定的中間態(tài)物質(zhì).當(dāng)兩種相對(duì)穩(wěn)定的中間態(tài)物質(zhì)相遇時(shí)，在電化學(xué)鍵的作用下，中間態(tài)物質(zhì)解體，結(jié)合生成新物質(zhì)，析出催化劑，完成化學(xué)反應(yīng).所以催化劑在化學(xué)反應(yīng)的前后，其的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生變化.