A+醫(yī)學百科 >> 催化

催化(catalysis)，改變化學反應(yīng)速率而不影響化學平衡的作用。能顯著提高化學反應(yīng)速率，其自身的組成和數(shù)量在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)稱為催化劑。催化劑改變化學反應(yīng)速率的作用稱催化作用，它本質(zhì)上是一種化學作用。在催化劑參與下進行的化學反應(yīng)稱催化反應(yīng)。催化是自然界中普遍存在的重要現(xiàn)象，催化作用幾乎遍及化學反應(yīng)的整個領(lǐng)域。催化工藝已是現(xiàn)代化學工業(yè)的基石，人的生命活動也與催化反應(yīng)有密切聯(lián)系。研究催化還有重要的理論意義，有助于揭示物質(zhì)及其變化的基本性質(zhì)。

簡史 　早在公元前，中國已會用酒曲（生物酶催化劑）造酒。18世紀中葉，鉛室法制硫酸中用一氧化氮作催化劑是工業(yè)上采用催化劑的開始。催化這個詞是1835年J.J.貝采利烏斯引用到化學學科中來的。1902年W.奧斯特瓦爾德將催化定義為：“加速化學反應(yīng)而不影響化學平衡的作用。”1910年實現(xiàn)合成氨的大規(guī)模生產(chǎn)，是催化工藝發(fā)展史上的里程碑。20世紀以來，催化工藝迅速發(fā)展，例如，20年代研究成功用鈷催化劑由一氧化碳和氫合成液體燃料的費-托法；1955年研究成功齊格勒-納塔催化劑，用于烯烴定向聚合；現(xiàn)代化學工業(yè)和煉油工業(yè)的生產(chǎn)過程，已有80％以上使用了催化方法。

原理 

目錄 1 降低活化能 2 催化劑表面性能 3 催化劑的作用方式 4 催化劑的性能指標 5 助催化劑 6 抑制劑 7 催化劑載體 8 均相催化 9 多相催化 10 生物催化 11 金屬催化 12 金屬氧化物催化 13 配位（絡(luò)合）催化 14 酸堿催化 15 多功能催化

降低活化能

在催化反應(yīng)過程中，至少必須有一種反應(yīng)物分子與催化劑發(fā)生了某種形式的化學作用。由于催化劑的介入，化學反應(yīng)改變了進行途徑，而新的反應(yīng)途徑需要的活化能較低，這就是催化得以提高化學反應(yīng)速率的原因。例如，化學反應(yīng)A+B─→AB，所需活化能為E，在催化劑C參與下，反應(yīng)按以下兩步進行：

A+C─→AC，所需活化能為E₁

AC+B─→AB+C，所需活化能為E₂

E₁、E₂都小于E (見圖)。催化劑C只是暫時介入了化學反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，催化劑C即行再生。

按阿倫尼烏斯方程k＝Ae_-E/RT(式中A為指前因子;R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度)，以反應(yīng)速率常數(shù)k表示的反應(yīng)速率主要決定于反應(yīng)活化能E，若催化使反應(yīng)活化能降低ΔE，則反應(yīng)速率即提高e_-ΔE/RT倍。催化反應(yīng)一般能降低活化能約10千卡/摩爾，若反應(yīng)在300K下進行，則反應(yīng)速率可增加約1.7×10⁷倍。

催化劑表面性能

多相催化是工業(yè)上應(yīng)用最多的，這種催化作用在催化劑表面上進行，因此，固體催化劑的表面性質(zhì)對催化作用就會有很大影響。催化劑比表面積大，表面上活化中心點多，表面對反應(yīng)物吸附能力強，這些都對催化活性有利，因為化學吸附能降低反應(yīng)活化能。表面孔隙度大和孔徑大小合適對催化劑的選擇性有利，例如分子篩催化劑的極強的選擇性，就是由于它的孔徑尺寸只能允許某種分子進入孔內(nèi)，到達催化劑表面而被催化。

催化劑的作用方式

催化劑與反應(yīng)物分子怎樣發(fā)生化學作用，這與催化劑和反應(yīng)物分子本身的性質(zhì)有關(guān)。實驗證明：有機化合物的酸催化反應(yīng)一般是通過正碳離子機理進行的；堿催化反應(yīng)則是由OH^-、RO^-、RCOO^-等陰離子起催化作用，例如：

CH₃COOC₂H₅+OH^-─→CH₃COOH+C₂H₅O^-

C₂H₅O^-+H₂O─→C₂H₅OH+OH^-

過渡金屬化合物催化劑在均相催化反應(yīng)中的作用是絡(luò)合催化作用；醇鈉催化丁二烯聚合是通過自由基機理進行的，例如：

C₄H₆+NaR─→R.+C₄H₆Na.

C₄H₆Na.+nC₄H₆─→Na(C₄H₆)_n+1

催化劑 

催化劑的性能指標

①催化活性：催化劑參與了化學反應(yīng)，降低了化學反應(yīng)的活化能，大大加快了化學反應(yīng)的速率。這說明催化劑具有催化活性。催化反應(yīng)的速率是催化劑活性大小的衡量尺度。活性是評價催化劑好壞的最主要的指標。②選擇性：一種催化劑只對某一類反應(yīng)具有明顯的加速作用，對其他反應(yīng)則加速作用甚小，甚至沒有加速作用。這一性能就是催化劑選擇性。催化劑的選擇性決定了催化作用的定向性。可通過選擇不同的催化劑來控制或改變化學反應(yīng)的方向。③壽命或穩(wěn)定性：催化劑的穩(wěn)定性以壽命表示。它包括熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和抗毒穩(wěn)定性。

助催化劑

本身不具有催化活性，但加入后（加入量一般低于催化劑量的10％）可顯著提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。一種工業(yè)催化劑往往要加入幾種助催化劑，才能使催化劑的活性、選擇性和壽命都達到預(yù)定要求。例如，合成氨用的雙促進催化劑鐵-三氧化二鋁-氧化鉀中的三氧化二鋁和氧化鉀就是助催化劑。

抑制劑

催化劑中含有的能降低催化劑活性的物質(zhì)。在多數(shù)場合，它是在催化劑制備過程中由原料不可避免地帶入的。在催化反應(yīng)過程中，由反應(yīng)物帶入的抑制劑則稱催化毒物。

催化劑載體

不具有催化活性的用來負載催化劑的固體物質(zhì)。把催化劑成分分散負載在載體上制成的催化劑稱負載型催化劑。常用的催化劑載體有活性碳、硅藻土、活性氧化鋁、硅膠和分子篩。對載體的要求是機械強度高、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好。載體雖不具有催化活性，但它可能與催化劑發(fā)生化學作用，載體也改變了催化劑的表面性能，因而選用合適的載體，也可以提高催化劑的活性、選擇性和壽命。

催化反應(yīng)和催化劑的種類 

均相催化

催化劑與反應(yīng)物同處于一均勻物相中的催化作用。有液相和氣相均相催化。液態(tài)酸堿催化劑，可溶性過渡金屬化合物催化劑和碘、一氧化氮等氣態(tài)分子催化劑的催化屬于這一類。均相催化劑的活性中心比較均一，選擇性較高，副反應(yīng)較少，易于用光譜、波譜、同位素示蹤等方法來研究催化劑的作用，反應(yīng)動力學一般不復雜。但均相催化劑有難以分離、回收和再生的缺點。

多相催化

多相催化發(fā)生在兩相的界面上，通常催化劑為多孔固體，反應(yīng)物為液體或氣體。多相催化反應(yīng)通常可按下述七步進行：①反應(yīng)物的外擴散──反應(yīng)物向催化劑外表面擴散；②反應(yīng)物的內(nèi)擴散──在催化劑外表面的反應(yīng)物向催化劑孔內(nèi)擴散；③反應(yīng)物的化學吸附；④表面化學反應(yīng)；⑤產(chǎn)物脫附；⑥產(chǎn)物內(nèi)擴散；⑦產(chǎn)物外擴散。這一系列步驟中反應(yīng)最慢的一步稱為速率控制步驟。化學吸附是最重要的步驟，化學吸附使反應(yīng)物分子得到活化，降低了化學反應(yīng)的活化能。因此，若要催化反應(yīng)進行，必須至少有一種反應(yīng)物分子在催化劑表面上發(fā)生化學吸附。固體催化劑表面是不均勻的，表面上只有一部分點對反應(yīng)物分子起活化作用，這些點被稱為活性中心。

生物催化

酶是一種生物催化劑，生物體內(nèi)的所有化學變化幾乎都是在酶催化下進行的，酶的催化作用稱為生物催化。酶的催化活性高，選擇性強。生物催化在常溫中性條件下進行，高溫、強酸和強堿都會使酶喪失活性。離體的酶仍具有催化活性，可制成各種酶制劑應(yīng)用在醫(yī)學和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。

其他還有電催化、光助催化、光電催化等。

按催化作用機理，可把催化劑分為金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、配位（絡(luò)合）催化劑、酸堿催化劑和多功能催化劑。

金屬催化

金屬催化劑主要用于脫氫和加氫反應(yīng)。有些金屬還具有氧化和重整的催化活性。金屬催化劑主要是指4、5、6周期的某些過渡金屬，如鐵、金、鉑、鈀、銠、銥等。金屬催化主要決定于金屬原子的電子結(jié)構(gòu)，特別是沒有參與金屬鍵的d軌道電子和d空軌道與被吸附分子形成吸附鍵的能力。因此，金屬催化劑的化學吸附能力和d軌道百分數(shù)是決定催化活性的主要因素。

金屬氧化物催化

主要是指過渡金屬氧化物催化，非過渡金屬氧化物催化已歸入酸堿催化。過渡金屬氧化物催化劑廣泛用于氧化、加氫、脫氫、聚合、加合等反應(yīng)。實用的金屬氧化物催化劑常為多組分氧化物的混合物，很多金屬氧化物催化劑是半導體，其化學組成大多是非化學計量的，因此，催化劑組分很復雜。金屬氧化物催化劑的導電性和逸出功、金屬離子的 d電子組態(tài)、氧化物中晶格氧特性、半導體電子能帶、催化劑表面吸附能力等，都與催化劑的催化活性有關(guān)。

配位（絡(luò)合）催化

金屬、特別是過渡金屬及其化合物有很強的絡(luò)合能力，能形成多種類型的絡(luò)合物。某些分子與金屬（或金屬離子）絡(luò)合后便易于進行某特定反應(yīng)，該反應(yīng)稱為配位（絡(luò)合）催化反應(yīng)，該金屬或其化合物起絡(luò)合催化劑作用。過渡金屬絡(luò)合催化劑在溶液中作為均相催化劑方面的研究和應(yīng)用較多。過渡金屬絡(luò)合催化作用一般都是配位（絡(luò)合）催化作用，即催化劑在其空配位上絡(luò)合活化反應(yīng)物分子。絡(luò)合催化劑一般都是金屬絡(luò)合物或化合物，如鈀、銠、鈦、鈷的絡(luò)合物等。

酸堿催化

阿倫尼烏斯酸堿、布侖斯惕酸堿、路易斯酸堿(見酸堿理論)的催化作用都屬酸堿催化作用。酸堿催化可分均相催化和多相催化。許多離子型有機反應(yīng)，如水解、水合、脫水、縮合、酯化、重排等，常可用酸堿均相催化。固體酸催化劑廣泛用于催化裂化、異構(gòu)化、烷基化、脫水、氫轉(zhuǎn)移、歧化、聚合等反應(yīng)。

多功能催化

若反應(yīng)物A直接變成產(chǎn)物B的反應(yīng)難以進行，則可通過幾個催化化學反應(yīng)來實現(xiàn)，例如：

S_Ⅰ、S_Ⅱ分別為兩個反應(yīng)的催化劑，則可將S_Ⅰ、S_Ⅱ混合起來制成雙功能催化劑，使A→B的反應(yīng)實現(xiàn)。這就是多功能催化。多功能催化與一個催化反應(yīng)的多步驟是有區(qū)別的，此處的C不是在催化劑表面形成的中間絡(luò)合物，而是由S_Ⅰ表面脫附出來的、有其自己的結(jié)構(gòu)和熱力學性質(zhì)的化學物質(zhì)。

應(yīng)用 　現(xiàn)代化學工業(yè)的巨大成就與催化劑的使用是分不開的。約80％以上的化學工業(yè)產(chǎn)品是借助于催化過程來生產(chǎn)的，可以說，沒有催化劑就沒有現(xiàn)代化學工業(yè)。

催化劑的使用，使人類對自然資源的利用更合理，利用的途徑更廣闊。例如，從煤炭和石油資源出發(fā)合成了甲醇、乙醇、丙酮、丁醇等基本有機原料，改變了過去用糧食生產(chǎn)的途徑；合成纖維的生產(chǎn)減輕了人類對棉花的依賴；塑料的發(fā)展減輕了人類對木材的依賴。合成橡膠、化肥、醫(yī)藥、合成食品、調(diào)味品的生產(chǎn)都與催化劑的使用分不開。總之，催化技術(shù)使人們更充分地利用自然資源，生活得更加豐富多彩。

催化劑的使用和更新及更有效的催化劑的出現(xiàn)，都會促進技術(shù)革新，改變工業(yè)面貌，節(jié)約能源，提高勞動生產(chǎn)率，生產(chǎn)出質(zhì)量更高的產(chǎn)品。例如硫酸的生產(chǎn)，開始是用一氧化氮作催化劑的鉛室法，產(chǎn)品濃度低、雜質(zhì)多、產(chǎn)量小；用鉑作催化劑可使硫酸產(chǎn)品濃度達98％以上，可制得發(fā)煙硫酸；用釩作催化劑后，產(chǎn)品質(zhì)量大大提高，成本大幅度下降。又如煉油工業(yè)中的催化裂化，用分子篩催化劑代替無定形硅鋁膠催化劑后，由于分子篩的擇形作用，改變了裂化產(chǎn)物的分布，得到了高質(zhì)量產(chǎn)品。催化劑的使用可改變工藝流程，減少三廢；催化轉(zhuǎn)化還是治理三廢變廢為寶的有效方法。

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