探究催化剂在化学反应中的作用

陆柳

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，祝贺她的生日。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！貝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。后来，人们把这一作用叫做触媒作用或催化作用，希腊语的意思是“解去束缚”。

1836年，贝采里乌斯首次提出化学反应中使用的“催化”与“催化剂”概念。

催化剂的应用具有加速化学反应、提高化学反应效益等作用，极大的方便了人类利用化学反应进行生产的目的。随着人们对化学反应和催化剂应用研究的不断深入和扩展，化工生产将为人类社会创造更多的财富，实现无污染、无公害的为人类社会的发展服务。

一、影响化学反应速率的因素

化学反应是一个复杂的过程，在反应过程中容易受到不同因素的影响。

1.压强

对于有气体参与的化学反应，其他条件不变时（除体积），增大压强，即体积减小，反应物浓度增大，单位体积内活化分子数增多，单位时间内有效碰撞次数增多，反应速率加快；反之则减小。若体积不变，加压（加入不参加此化学反应的气体）反应速率就不变。因为浓度不变，单位体积内活化分子数就不变。但在体积不变的情况下，加入反应物，同样是加压，增加反应物浓度，速率也会增加。

2.温度

只要升高温度，反应物分子获得能量，使一部分原来能量较低分子变成活化分子，增加了活化分子的百分数，使得有效碰撞次数增多，故反应速率加大（主要原因）。当然，由于温度升高，使分子运动速率加快，单位时间内反应物分子碰撞次数增多反应也会相应加快（次要原因）

3.催化剂

使用正催化剂能够降低反应所需的能量，使更多的反应物分子成为活化分子，大大提高了单位体积内反应物分子的百分数，从而成千上万倍地增大了反应物速率.负催化剂则反之。

4.浓度

当其它条件一致下，增加反应物浓度就增加了单位体积的活化分子的数目，从而增加有效碰撞，反应速率增加，但活化分子百分数是不变的。

5.其他因素

增大一定量固体的表面积（如粉碎），可增大反应速率，光照一般也可增大某些反应的速率；此外，超声波、电磁波、溶剂等对反应速率也有影响。

二、化学反应中催化剂的作用

1.催化剂的类型

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，均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂。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；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。

2.催化剂的作用

在现代工业生产中，催化剂起到了巨大的作用，促进了工业的发展和工业生产的效率，催化剂的研究和使用时当今世界热点，据统计有80%以上的工业生产化学反应都会用到催化剂。

（1）催化剂的使用降低了工业生产的成本。一方面，催化剂的使用使工业生产中的化学反应更为充分，降低了工业生产的原料损耗，提高了生产效率。另一方面催化剂加快了化学反应的速度，提高了单位时间内工业生产的生产量，节约了人力等成本，使企业在同一时间内生产了更多的产品，节约了生产消耗。此外，一些催化剂的应用简化了所需产品的加3131艺，使人类通过廉价的手段提取了高效益的能源、产品，创造了极大的社会效益。

（2）催化剂的使用提高了企业的生产能力。如在工业合成氨的过程中，使用催化剂使合成氨的化学反应速率提升了上万亿被，大大的提高了企业的生产能力，为企业创造了更多的经济价值和社会效益。

（3）催化剂能控制化学反应生成的产物。如在乙烯与氧气的反应中，使用PdCl-CuCl2做催化剂可以生成乙醛；而使用银作催化剂则会生成环氧乙烷。因此，生产中可以通过催化剂控制化学反应的生成产物，获取生产所想要得到的新物质。此外，对于复杂反应，催化剂可以有效的加快主反应的反应速率，对副反应起到一定的拟制作用，提高了生产中所需产物的收率。

（4）催化剂改善了化学反应的条件。如一些反应本身要在高温下进行，才能确保反应和反应速率化学反应，加入催化剂后可在常温下进行并确保反应的速率；又如一些反应对设备的腐蚀性严重，采用催化剂后可改变发生的化学反应，降低了反应过程中对设备的腐蚀，并确保了生产的顺利进行。

（5）催化剂的使用使更多的化学反应得以实现，拓展了工业生产中化学反应的原料来源，为企业的生产发掘出更多的资源。

（6）催化剂拟制了一些化工生产中危害物品的生成，降低了化学反应对环境的污染。如工业生产邻苯二酚过程中，采用酶E.Coli做催化剂，使产物的生成定向为邻苯二酚，避免了化学反应生产过程中的副产品的产生和废弃物的生成，有效的保护了环境。

三、化学反应和催化剂应用的研究趋向

化学反应对人类的贡献有目共睹，但化学反应造成的环境污染等负面影响也是不能小觑。早在二十世纪时人们就提出了绿色化工，随着人类对化学反应及催化剂使用研究的深入，人类已掌握了很多提高化学反应效率，减少环境污染的措施，并将其运用到工业化工生产中，实现了化学反应对人类的无害服务。同时，人们利用化学反应不断的开发新的能源，如在催化剂作用下将煤炭资源转化为液体燃料，增强了能源的利用效率，还降低了煤炭不充分燃烧所带来的环境污染问题。因此，未来化学反应与催化剂应用的研究方向就是绿色化工、能源化工。

随着科技的发展，人类必将实现化学反应的无公害、无污染，并充分的利用催化剂等手段，拓展人类对能源原料的需求，进一步促进人类文明的发展。