催化劑的添加

催化劑的添加

咨詢者：小溫　咨詢時(shí)間：2008-04-22　狀態(tài)：已回復(fù)

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定義：根據(jù)IUPAC于1981年提出的定義，催化劑是一種物質(zhì)，它能夠加速反應(yīng)的速率而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化。這種作用稱為催化作用。涉及催化劑的反應(yīng)為催化反應(yīng)。

催化劑（catalyst）會(huì)誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變，而使化學(xué)反應(yīng)變快或者在較低的溫度環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

我們可在波茲曼分布（Boltzmann distribution）與能量關(guān)系圖（energy profile diagram）中觀察到，催化劑可使化學(xué)反應(yīng)物在不改變的情形下，經(jīng)由只需較少活化能（activation energy）的路徑來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。而通常在這種能量下，分子不是無法完成化學(xué)反應(yīng)，不然就是需要較長時(shí)間來完成化學(xué)反應(yīng)。但在有催化劑的環(huán)境下，分子只需較少的能量即可完成化學(xué)反應(yīng)。

催化劑有三種類型，它們是：均相催化劑、多相催化劑和生物催化劑。

均相催化劑和它們催化的反應(yīng)物處于同一種物態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、或者氣態(tài)）。例如：如果反應(yīng)物是氣體，那么催化劑也會(huì)是一種氣體。笑氣（四氧化二氮）是一種惰性氣體，被用來作為麻醉劑。然而，當(dāng)它與氯氣和日光發(fā)生反應(yīng)時(shí)，就會(huì)分解成氮?dú)夂脱鯕狻＿@時(shí)，氯氣就是一種均相催化劑，它把本來很穩(wěn)定的笑氣分解成了組成元素。
多相催化劑和它們催化的反應(yīng)物處于不同的狀態(tài)。例如：在生產(chǎn)人造黃油時(shí)，通過固態(tài)鎳（催化劑），能夠把不飽和的植物油和氫氣轉(zhuǎn)變成飽和的脂肪。固態(tài)鎳是一種多相催化劑，被它催化的反應(yīng)物則是液態(tài)（植物油）和氣態(tài)（氫氣）。
酶是生物催化劑。活的生物體利用它們來加速體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。如果沒有酶，生物體內(nèi)的許多化學(xué)反應(yīng)就會(huì)進(jìn)行得很慢，難以維持生命。大約在37℃的溫度中（人體的溫度），酶的工作狀態(tài)是最佳的。如果溫度高于50℃或60℃，酶就會(huì)被破壞掉而不能再發(fā)生作用。因此，利用酶來分解衣物上的污漬的生物洗滌劑，在低溫下使用最有效。


催化劑分均相催化劑與非均相催化劑。非均相催化劑呈現(xiàn)在不同相（Phase）的反應(yīng)中（例如：固態(tài)催化劑在液態(tài)混合反應(yīng)），而均相催化劑則是呈現(xiàn)在同一相的反應(yīng)（例如：液態(tài)催化劑在液態(tài)混合反應(yīng)）。一個(gè)簡易的非均相催化反應(yīng)包含了反應(yīng)物（或zh-ch:底物;zh-tw:受質(zhì)）吸附在催化劑的表面，反應(yīng)物內(nèi)的鍵因十分的脆弱而導(dǎo)致新的鍵產(chǎn)生，但又因產(chǎn)物與催化劑間的鍵并不牢固，而使產(chǎn)物出現(xiàn)。目前已知許多表反應(yīng)發(fā)生吸附反應(yīng)的不同可能性的結(jié)構(gòu)位置。
僅僅由于本身的存在就能加快或減慢化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的組成和質(zhì)量并不改變的物質(zhì)就叫催化劑。催化劑跟反應(yīng)物同處于均勻的氣相或液相時(shí)，叫做單相催化作用；催化劑跟反應(yīng)物屬不同相時(shí)，叫做多相催化作用。

人們利用催化劑，可以提高化學(xué)反應(yīng)的速度，這被稱為催化反應(yīng)。大多數(shù)催化劑都只能加速某一種化學(xué)反應(yīng)，或者某一類化學(xué)反應(yīng)，而不能被用來加速所有的化學(xué)反應(yīng)。催化劑并不會(huì)在化學(xué)反應(yīng)中被消耗掉。不管是反應(yīng)前還是反應(yīng)后，它們都能夠從反應(yīng)物中被分離出來。不過，它們有可能會(huì)在反應(yīng)的某一個(gè)階段中被消耗，然后在整個(gè)反應(yīng)結(jié)束之前又重新產(chǎn)生。

使化學(xué)反應(yīng)加快的催化劑，叫做正催化劑；使化學(xué)反應(yīng)減慢的催化劑，叫做負(fù)催化劑。例如，酯和多糖的水解，常用無機(jī)酸作正催化劑；二氧化硫氧化為三氧化硫，常用五氧化二釩作正催化劑，這種催化劑是固體，反應(yīng)物為氣體，形成多相的催化作用，因此，五氧化二釩也叫做觸媒或接觸劑；食用油脂里加入0.01%～0.02%沒食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸敗，在這里，沒食子酸正丙酯是一種負(fù)催化劑(也叫做緩化劑或抑制劑)。

目前，對(duì)催化劑的作用還沒有完全弄清楚。在大多數(shù)情況下，人們認(rèn)為催化劑本身和反應(yīng)物一起參加了化學(xué)反應(yīng)，降低了反應(yīng)所需要的活化能。有些催化反應(yīng)是由于形成了很容易分解的“中間產(chǎn)物”，分解時(shí)催化劑恢復(fù)了原來的化學(xué)組成，原反應(yīng)物就變成了生成物。有些催化反應(yīng)是由于吸附作用，吸附作用僅能在催化劑表面最活潑的區(qū)域(叫做活性中心)進(jìn)行。活性中心的區(qū)域越大或越多，催化劑的活性就越強(qiáng)。反應(yīng)物里如有雜質(zhì)，可能使催化劑的活性減弱或失去，這種現(xiàn)象叫做催化劑的中毒。

催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響非常大，有的催化劑可以使化學(xué)反應(yīng)速率加快到幾百萬倍以上。催化劑一般具有選擇性，它僅能使某一反應(yīng)或某一類型的反應(yīng)加速進(jìn)行。例如，加熱時(shí)，甲酸發(fā)生分解反應(yīng)，一半進(jìn)行脫水，一半進(jìn)行脫氫：

HCOOH=H2O+CO

HCOOH=H2+CO2

如果用固體Al2O3作催化劑，則只有脫水反應(yīng)發(fā)生；如果用固體ZnO作催化劑，則脫氫反應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行。這種現(xiàn)象說明，不同性質(zhì)的催化劑只能各自加速特定類型的化學(xué)反應(yīng)過程。因此，我們利用催化劑的選擇性，可使化學(xué)反應(yīng)主要向某一方向進(jìn)行。

在催化反應(yīng)里，人們往往加入催化劑以外的另一物質(zhì)，以增強(qiáng)催化劑的催化作用，這種物質(zhì)叫做助催化劑。助催化劑在化學(xué)工業(yè)上極為重要。例如，在合成氨的鐵催化劑里加入少量的鋁和鉀的氧化物作為助催化劑，可以大大提高催化劑的催化作用。

催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中占有極其重要的地位，現(xiàn)在幾乎有半數(shù)以上的化工產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程里都采用催化劑。例如，合成氨生產(chǎn)采用鐵催化劑，硫酸生產(chǎn)采用釩催化劑，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡膠等三大合成材料的生產(chǎn)中，都采用不同的催化劑。

酶，是植物、動(dòng)物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì)，舊稱酵素。生物體的化學(xué)反應(yīng)幾乎都在酶的催化作用下進(jìn)行。酶的催化作用同樣具有選擇性。例如，淀粉酶催化淀粉水解為糊精和麥芽糖，蛋白酶催化蛋白質(zhì)水解成肽等。酶在生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面，都有重大意義。目前，酶制劑的應(yīng)用日益廣泛。

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