催化剂的催化机制——以水溶剂为例解析

孙继传 孙仕宇

(1.安徽审计职业学院 230601;2.安徽省合肥市第三中学 230001)

自从1835年由贝采里乌斯提出催化概念之后，先后出现了“活性中间化合物假说”、“吸附理论”、“活性中心理论”、“多位催化理论”及“催化的电子理论”等多个解释催化剂催化机制的理论.催化理论得以不断完善.本文旨在从水溶剂的角度，借助现有的溶解、电离、络合物等成熟理论，分析、探究催化剂的催化机制.

过去的中学课本中，演示催化剂神奇功效的实验通常是用氯酸钾和二氧化锰加热制取氧气.在仅有氯酸钾的条件下，氯酸钾在高温下只能缓慢分解释放出氧气.但在氯酸钾中加入少量的二氧化锰后，只要稍微加热，氯酸钾就会立即分解，释放出氧气，且二氧化锰在化学反应的前后其质量和化学性质均未发生改变，可见二氧化锰在氯酸钾制取氧气的过程中起着催化剂的作用.值得注意的是，尽管二氧化锰在氯酸钾制取氧气的前后，其质量和化学性质均未发生改变，但它的物理性质却发生了变化，即从原来的颗粒状黑色斜方晶体变成了粉末状固体.这足以说明二氧化锰确实参与了化学反应.但二氧化锰到底是如何参与并改变氯酸钾的化学反应速度的？仅凭氯酸钾和二氧化锰加热制取氧气的实验，很难揭示其机制.因此，为揭示催化剂的催化机制，特意设计了如下实验，借以分析催化剂的催化机制.

一、实验

实验一：固体五水硫酸铜晶体和片状氢氧化钠晶体的反应

取少量的五水硫酸铜晶体和适量的片状氢氧化钠晶体加入同一烧杯中，静置，观察其化学反应速度.

结论：在常温和晶体状态下，五水硫酸铜晶体和片状氢氧化钠晶体之间没有明显的化学反应发生.

实验二：固体五水硫酸铜晶体和片状氢氧化钠晶体混合物加水实验

取少量的五水硫酸铜晶体和适量的片状氢氧化钠晶体加入烧杯中，再往烧杯中加入适量的水，观察其化学反应发生情况.

现象：加入水后，五水硫酸铜晶体和适量的片状氢氧化钠晶体之间立刻就发生了化学反应.晶体表面颜色加深.根据目前已有的理论知识可知，它们反应后生成了氢氧化铜蓝色沉淀和硫酸钠.

结论：水明显加快了五水硫酸铜晶体和片状氢氧化钠晶体之间的化学反应速度.

实验三：硫酸铜水溶液和氢氧化水溶液之间的化学反应

第一步，取少量的五水硫酸铜晶体加入试管中并加入适量的水，振荡使之充分溶解.硫酸铜水溶液呈透明的淡蓝色.

第二步，取少量的片状氢氧化钠晶体加入烧杯中，然后往烧杯中加入适量的水.摇动烧杯使氢氧化钠完全溶于水.氢氧化钠水溶液是无色透明液体.

第三步，将试管中的淡蓝色硫酸铜水溶液缓慢倒入盛有氢氧化钠水溶液的烧杯中.两者相遇立即发生化学反应，生成氢氧化铜蓝色沉淀，液体的透明度也明显降低.静置后，沉淀物下沉，液体颜色变淡、变透明.

二、实验分析

对比实验一和实验二可以发现，水明显大大加快了硫酸铜和氢氧化钠之间的反应速度.根据现有的化学理论知识可知，在化学反应的前后，水的质量和化学性质均未发生变化.可见，水在硫酸铜和氢氧化钠的化学反应中起着催化剂的作用.

三、催化机理分析

根据现有的电离理论可知，在实验三中，当五水硫酸铜晶体放入水中后，在水分子的作用下电离，分别与水分子结合生成水合硫酸根离子和水合铜离子；当氢氧化钠晶体放入水中后，在水分子的作用下，分别电离生成水合氢氧根离子和水合钠离子.此时的水合硫酸根离子、水合铜离子、水合氢氧根离子和水合钠离子都是很稳定的水合离子(即中间态物质).但当硫酸铜水溶液和氢氧化钠水溶液相遇时，由于水合铜离子和水合氢氧根离子中的铜离子和氢氧根离子之间的电化学键作用力远大于它们与水分子之间的结合力，铜离子和氢氧根离子便立即摆脱水分子的纠缠，结合生成难溶于水的氢氧化铜蓝色沉淀，析出水分子.所以，在化学反应的前后，水的质量和化学性质均未发生变化，即水在此化学反应过程中起着催化剂的作用.

根据实验一、二、三可以推知，水的催化剂机制是：水分子首先和五水电离硫酸铜晶体和氢氧化钠晶体作用，生成相对稳定的中间态物质——水合离子.当两个电性相反的水合离子相遇时，若其中正、负离子之间的电化学键引力大于它与水分子与之间的结合力，则正、负离子就会摆脱水分子，相互结合生成新物质，析出水，完成化学反应.另一方面，由于水的电离作用瓦解了原有晶体中离子之间的化学键，使离子从晶体中分离出来，这也大大增加了铜离子和氢氧根离子之间的接触机会，从而大大加快了它们之间的化学反应速度.依此类推，所有以水为溶剂的化学反应，水在其中都起着催化剂的作用.同理可推知，溶剂都是相应化学反应的催化剂.

依据上述实验和实验分析可以推知，催化剂的催化机制是：催化剂首先和参与化学反应的物质相互作用，生成相对稳定的中间态物质.当两种相对稳定的中间态物质相遇时，在电化学键的作用下，中间态物质解体，结合生成新物质，析出催化剂，完成化学反应.所以催化剂在化学反应的前后，其的质量和化学性质均未发生变化.