化学催化剂
在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率(既能提高也能降低),而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂。
而通常把催化剂加速化学反应,使反应尽快达到化学平衡的作用叫做催化作用。
催化剂自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化;它和反应体系的关系就像锁与钥匙的关系一样,具有高度的选择性(或专一性)。
一种催化剂并非对所有的化学反应都有催化作用,某些化学反应并非只有唯一的催化剂,而且一个化学反应并不只有一种催化剂
催化剂有的是单一化合物,有的是络合化合物,有的是混合物。
催化剂有选择性,不同的反应所用的催化剂有所不同。
同一反应也有不同效果的催化剂,例如同是苯酚与甲醛反应合成酚醛树脂,使用氢氧化钠、氢氧化钡、盐酸、氨水、草酸、醋酸、甲酸、硫酸、磷酸、氧化镁、氧化锌等催化剂,其产品性能都有所不同。
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。
催化剂和反应物同处于一相,没有相界存在而进行的反应,称为均相催化作用,能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。
均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和色可赛思固体酸和碱性催化剂。
溶性过渡金属化合物(盐类和络合物)等。
均相催化剂以分子或离子独立起作用,活性中心均一,具有高活性和高选择性。
多相催化剂又称非均相催化剂呈现在不同相的反应中,即和它们催化的反应物处于不同的状态。
一个简易的非均相催化反应包含了反应物吸附在催化剂的表面,反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生,但又因产物与催化剂间的键并不牢固,而使产物出现。
目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位臵。
酶是生物催化剂,是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物(绝大多数的蛋白质。
但少量RNA也具有生物催化功能),旧称酵素。
生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。
酶的催化作用同样具有选择性。
例如,淀粉。
酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖,蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。
活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。
如果没有酶,生物体内的许多化学反应就会进行得很慢,难以维持生命。
大约在37℃的温度中(人体的温度),酶的工作状态是最佳的。
如果温度高于50℃或60℃,酶就会被破坏掉而不能再发生作用。
因此,利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂,在低温下使用最有效。
酶在生理学、医学、农业、工业等方面,都有重大意义。
目前,酶制剂的应用日益广泛。
(例如:酶制剂在工业上可作催化剂使用,某些酶还是珍贵的药物。
)
人们利用催化剂,可以改变化学反应的速率,这被称为催化反应。
大多数催化剂都只能加速某一种化学反应,或者某一类化学反应,而不能被用来加速所有的化学反应。
催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。
不管是反应前还是反应后,它们都能够从反应物中被分离出来。
不过,它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗,然后在整个反应结束之前又重新产生。
使化学反应加快的催化剂,叫做正催化剂;使化学反应减慢的催化剂,叫做负催化剂。
例如,二氧化硫氧化为三氧化硫,常用五氧化二钒作正催化剂,这种催化剂是固体,反应物为气体,形成多相的催化作用,因此,五氧化二钒也叫做触媒或接触剂;食用油脂里加入0.01%~0.02%没食子酸正丙酯,就可以有效地防止酸败,在这里,没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。
在大多数情况下,人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应,降低了反应所需要的活化能。
有些催化反应是由于形成了很容易分解的
“中间产物”,分解时催化剂恢复了原来的化学组成,原反应物就变成了生成物。
有些催化反应是由于吸附作用,吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的区域(叫做活性中心)进行。
活性中心的区域越大或越多,催化剂的活
性就越强。
反应物里如有杂质,可能使催化剂的活性减弱或失去,这种现象叫做催化剂的中毒。
催化剂对化学反应速率的影响非常大,有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。
催化剂一般具有选择性,它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行,不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程。
因此,我们利用催化剂的选择性,可使化学反应主要向某一方向进行。
在催化反应里,人们往往加入催化剂以外的另一物质,以增强催化剂的催化作用,这种物质叫做助催化剂。
助催化剂在化学工业上极为重要。
例如,在合成氨的铁催化剂里加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂,可以大大提高催化剂的催化作用。
催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位,现在几乎有半数以上的化工产品,在生产过程里都采用催化剂。
据统计,约有80%~85%的化工生产过程使用催化剂,目的是加快反应速率,提高生产效率。
在资源利用、能源开发、医药制造、环境保护等领域,催化剂也大有作为。
催化剂显然是参加了反应,只是作为一个反应中介,在反应前后总量不变而使得加快或减缓反应速度的一种物质。
实际用途
在化工生产、科学家实验和生命活动中,催化剂都大显身手。
例如,硫酸生产中要用五氧化二钒作催化剂。
由氮气跟氢气合成氨气,要用以铁为主的多分组催化剂,提高反应速率。
在炼油厂,催化剂更是少不了,选用不同的催化剂,就可以得到不同品质的汽油、煤油。
化工合成酸性和碱性色可赛思催化剂。
车尾气中含有害的一氧化碳和一氧化氮,利用铂等金属作催化剂可以迅速将二者转化为无害的二氧化碳和氮气。
酶是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质,生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行,酿造业、制药业等都要用催化剂催作。
造催化剂的每一种方法,实际上都是由一系列的操作单元组合而成。
为了方便,人们把其中关键而具特色的操作单元的名称定为制造方法的名称。
传统的方法有机械混合法、沉淀法、浸渍法、溶液蒸干法、热熔融法、浸溶法(沥滤法)、离子交换法等,近十年来发展的新方法有化学键合法、纤维化法等。
催化剂用量很少,一定要选用得当,最好使用混合型催化剂。
无机酸、碱、盐催化剂都有一定的腐蚀性和毒害性;有机类催化剂多数易燃,甚至有爆炸性,还有毒性,像三氟化硼一乙醚络合物属剧毒物,在处理、储存和使用时都要注意安全。
催化剂的发展应是高效化、低腐蚀化、纳米化、环保化。
高效可以用量更少,低腐蚀可减少对设备的损害,纳米化可使金属氧化物催化剂效率更高,环保化有益于健康和环境友好。