中間化合物理論認為，催化劑之所以能夠改變化學反應的速率是因為催化劑積極地參與它所催化的反應，與反應物生成不穩定的中間化合物，而後變為產物。催化劑的催化作用是由於中問化合物的生成和轉變。
基本介紹
- 中文名：中間化合物理論
- 外文名：intermediate compound theory of catalysis
- 含義：反應過程生成不穩定的中間化合物
- 套用：催化劑
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中間化合物理論歷史
1806年Cle’ment（克萊門特）和De’sormes（德索美）在研究NO對SO2的氧化所起催化作用時，推測NO先與大氣中的O2反應生成某種中間化合物，此中間化合物再與SO2相互作用，將氧交給SO2自身又變為NO，如此循環方式進行。貝采里烏斯也提出了類似解釋，從而確定了中間化合物的概念。
後來，催化工作者提出中間化合物決定反應的方向和速率，豐富了中間化合物理論的內容。
20世紀初，中間化合物理論獲得了較為廣泛的承認，1930年Hinshelwood等人以I2蒸汽作為催化劑進行了CH3CHO蒸汽的加熱分解反應實驗，發現催化反應速率與催化劑的濃度成正比，而催化劑I2蒸汽的濃度在反應過程中不變。說明催化劑（X）與蒸汽的濃度在反應過程中不變，說明催化劑（X）先與反應物（A或B）相互作用，生成活性中間化合物AX（或BX），AX進一步轉變成產物，並使催化劑再生。
中間化合物理論內容
中間化合物理論是用來解釋催化反應機理的基本理論之一，最早由Sabatier提出，至今仍在引用。前面討論的活化能的變化就包含了這一概念。
該理論認為，在催化反應進行過程中，催化劑與反應物生成不穩定的中間化合物而激發了反應物的活性，使反應容易進行。以下是用中間化合物理論解釋的幾個催化反應例子。
1.一氧化碳變換
CO+Fe2O3→CO2+Fe3O4（反應1）
Fe3O4+H2O→H2+Fe2O3（反應2）
CO+H2O→CO2+H2（總反應）
2.合成氨SO2氧化
N2+2xFe→2FexN
3H2+2FexN→2NH3+2xFe
N2+3H2→2NH3
在這些反應中，中間化合物可以是一個或多個，它們的存在都是以實驗結果為依據的。根據化學性質，這些化合物是非穩態的。容易生成也容易分解。難於生成中間化合物或生成化合物後又難於分解的固體物質都不能作為催化劑。因此，催化劑扮演了媒介的作用。它們的參與使一些本來不易活化的反應物分子轉變為活化狀態。以合成氨為例。氮分子由兩個三鍵氮原子構成，化學性質相當穩定。在空氣中同氧相比，它可看做是惰性物質。也正是這個緣故，大自然才賴以存在。否則自然界中的物質都和氮反應，就不是今天的這個樣子。用氮為原料進行合成氨，從化學平衡看，常溫下便可進行，它的難度就在於如何將氮分子活化。人們為了探索合成氨的道路，曾採用了元素周期表中的大量元素進行催化實驗。今天採用的鐵催化劑是經過上萬次實驗才取得的。鐵之所以是良好的合成氨催化劑．就是因為它能與氮分子在溫和的條件下反應，生成容易分解的氮化物，使其活化而易與氫進一步反應。儘管深層的機理研究還在不斷深化，合成氨催化劑的優選這一工業催化中的輝煌實例畢竟是對中間化合物理論的有力支持。前面引用的其他催化反應也是如此。氧化鐵是多價過渡金屬氧化物，高價鐵可氧化CO成CO2，低價鐵可被水氣氧化並生成氫氣。鐵水蒸氣法制氫就依據這一原理。所以，用氧化鐵做催化劑進行CO變換是不無道理的，在二氧化硫氧化中，釩催化劑也是變價過渡金屬氧化物，它被二氧化硫還原並被氧所氧化而不斷在V4+，V5+中間化合物之間轉化，大大加速了反應的進行。γ-Al2O3是優良的脫水劑，故用作甲醇制二甲醚的催化劑。
不過，中間化合物理論雖然在催化理論發展的歷史上發揮過巨大的作用，但隨著認識的逐步深化，越來越顯出它在非均相催化套用中的局限性。一些重要的發現，如催化劑表面結構、分散度對活性的影響、催化劑的活化與中毒等現象用該理論無力做出解釋。後來的實驗表明，催化劑加速反應，並不是全部固體表面在起作用，真正具有活性的只是很小一部分。活化反應物分子不一定非生成中間化合物不可，只要使原子間價鍵弛化便也能達到目的。
中間化合物理論意義和局限性
用中間化合物學說雖然也能解釋在多相催化反應中，催化劑在反應前後化學性質不變的事實，同時，也可以假定由於催化劑的化學性質不同可以對特定的反應物形成不同的中間化合物，從而解釋催化劑的選擇性。但中間化合物理論對於許多實驗結果卻不能解釋，按照這種理論強調的是催化劑的化學性質，只要催化劑的化學性質保持不變，則催化劑所能起的作用（催化活性）不變。可是事實不然，催化劑的製備方法、工藝不同雖然不影響催化劑的化學性質，但卻明顯地影響其催化活性。加入微量毒物或助催化劑，事實上並沒有從根本上改變催化劑的化學性質，卻都對催化劑的活性發生重大影響。中間化合物理論的主要缺點是把多相催化反應的實質全部歸結到化學作用上去，而不考慮其他因素的作用。
中間化合物理論雖有缺點，但它對催化理論的進一步發展打下一定基礎。從它以後的理論著重於兩個方向發展，第一是研究反應物與催化劑相互作用的特殊形式；第二是研究催化劑本身的特性與催化活性的關係。
