催化

催化改變化學反應速率而不影響化學平衡的作用。催化劑改變化學反應速率的作用稱催化作用，它本質上是一種化學作用。在催化劑參與下進行的化學反應稱催化反應。催化是自然界中普遍存在的重要現象，催化作用幾乎遍及化學反應的整個領域。

基本介紹

• 中文名：催化
• 外文名：catalytic
• 類別：化學作用 

定義

催化即通過催化劑改變反應所需的活化自由能，改變反應物的化學反應速率，反應前後催化劑的量和質均不發生改變的反應。

化學反應物要想發生化學反應，必須使其化學鍵發生改變，改變或者斷裂化學鍵需要一定的能量支持，能使化學鍵發生改變所需要的最低能量閾值稱之為活化自由能，而催化劑通過改變化學反應物的活化自由能進而影響反應速率。

正催化劑可加速反應；負催化劑或抑制劑則會與反應物反應進而降低化學反應。可提高催化劑活性的物質稱為促進劑；降低催化劑活性者則稱為催化毒。

發展史

早在公元前，中國已會用酒麴（生物酶催化劑）造酒。18世紀中葉，鉛室法制硫酸中用二氧化氮作催化劑是工業上採用催化劑的開始。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：“加速化學反應而不影響化學平衡的作用。”1910年實現合成氨的大規模生產，是催化工藝發展史上的里程碑。20世紀以來，催化工藝迅速發展，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，用於烯烴定向聚合；現代化學工業和煉油工業的生產過程，已有90%以上使用了催化方法。

原理

降低活化能

在催化反應過程中，至少必須有一種反應物分子與催化劑發生了某種形式的化學作用。由於催化劑的介入，化學反應改變了進行途徑，而新的反應途徑需要的活化能較低，這就是催化得以提高化學反應速率的原因。

例如，化學反應A+B→AB,所需活化能為E，在催化劑C參與下，反應按以下兩步進行：

催化示意圖

A+C→AC，所需活化能為E1。

AC+B→AB+C，所需活化能為E2。

E1、E2都小於E （見圖）。催化劑C只是暫時介入了化學反應，反應結束後,催化劑C即行再生。

按阿倫尼烏斯方程k=Ae-E/RT(式中k為溫度T時的反應速度常數；A為指前因子，也稱為阿倫尼烏斯常數，單位與k相同；R為氣體常數，kJ/mol·K；T為熱力學溫度，K；E為活化能，kJ/mol)，以反應速率常數k表示的反應速率主要決定於反應活化能E，若催化使反應活化能降低ΔE，則反應速率即提高e-ΔE/RT倍。催化反應一般能降低活化能約41.82 kJ/mol，若反應在300K下進行，則反應速率可增加約1.7×10倍。

作用方式

催化劑與反應物分子怎樣發生化學作用，這與催化劑和反應物分子本身的性質有關。實驗證明：有機化合物的酸催化反應一般是通過正碳離子機理進行的；鹼催化反應則是由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中的作用是絡合催化作用；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

性能指標

①催化活性：催化劑參與了化學反應，降低了化學反應的活化能，大大加快了化學反應的速率。這說明催化劑具有催化活性。催化反應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具有明顯的加速作用，對其他反應則加速作用甚小，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的方向。

③壽命或穩定性：催化劑的穩定性以壽命表示。它包括熱穩定性、機械穩定性和抗毒穩定性。

催化種類

均相催化

催化劑與反應物同處於一均勻物相中的催化作用。有液相和氣相均相催化。液態酸鹼催化劑，可溶性過渡金屬化合物催化劑和碘、一氧化氮等氣態分子催化劑的催化屬於這一類。均相催化劑的活性中心比較均一，選擇性較高，副反應較少，易於用光譜、波譜、同位素示蹤等方法來研究催化劑的作用，反應動力學一般不複雜。但均相催化劑有難以分離、回收和再生的缺點。

多相催化

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

復相催化

復相催化是一獨立的化學反應。它兼有均相催化的溫度和多相催化的速度。同時具有可控的方向性。在反應時，全方位的進行催化，致使反應速度加快數千倍。由於催化能力倍增，使其可從碳水化合物中移動氫氧，而這正是把工業和生物廢棄物“一步法”轉化為標準汽柴油的科學基礎。

生物催化

酶是一種生物催化劑，生物體內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、強酸和強鹼都會使酶喪失活性。離體的酶仍具有催化活性，可製成各種酶製劑套用在醫學和工農業生產上。

催化原理

金屬催化

金屬催化劑主要用於脫氫和加氫反應。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。金屬催化主要決定於金屬原子的電子結構，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鹼催化。過渡金屬氧化物催化劑廣泛用於氧化、加氫、脫氫、聚合、加合等反應。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，催化劑組分很複雜。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、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。

配位（絡合）催化

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

酸鹼催化

阿倫尼烏斯酸鹼、布侖斯惕酸鹼、路易斯酸鹼(見酸鹼理論)的催化作用都屬酸鹼催化作用。酸鹼催化可分均相催化和多相催化。許多離子型有機反應，如水解、水合、脫水、縮合、酯化、重排等，常可用酸鹼均相催化。以固體酸催化劑為代表的多相催化廣泛用於催化裂化、異構化、烷基化、脫水、氫轉移、歧化、聚合等反應。

套用

工業的套用

現代化學工業的巨大成就與催化劑的使用是分不開的。約90%以上的化學工業產品是藉助於催化過程來生產的。

例如，從煤炭和石油資源出發合成了甲醇、乙醇、丙酮、丁醇等基本有機原料，改變了過去用糧食生產的途徑；合成纖維的生產減輕了人類對棉花的依賴；塑膠的發展減輕了人類對木材的依賴。合成橡膠、化肥、醫藥、合成食品、調味品的生產都與催化劑的使用分不開。

例如，硫酸的生產，相比於二氧化氮作催化劑的鉛室法，產品濃度低、雜質多、產量小；用鉑作催化劑可使硫酸產品濃度達98%以上，可製得發煙硫酸；用釩作催化劑後，產品質量大大提高，成本大幅度下降。又如煉油工業中的催化裂化，用分子篩催化劑代替無定形矽鋁膠催化劑後，由於分子篩的擇形作用，改變了裂化產物的分布，得到了高質量產品。

生態上的套用

處理各類廢棄物。

二氧化碳 + 廢塑膠輪胎→汽柴油+可燃氣+炭黑，既解決了空中環境堵塞，又將地面廢棄物轉化為能源；煤+地面農、林、牧、城市生活廢棄物、城市工業廢棄物→汽柴油+可燃氣+炭黑，既解決了地面的污染問題，地面生態通道的堵塞，和煤排出的CO2問題，又將煤、地面廢棄物轉化為急需的汽、柴油基礎油，它產生的可燃氣體和天然氣的低碳排放是一個水平：排出的可燃氣體，碳排放量為16%，天然氣的碳排放量12%。

最佳化化石能源的產業結構。

用先進的催化技術和仿生能源的工藝方法，將煉油工業轉化為資源節約型的工業結構。石油→汽柴油+可燃氣+炭黑，以高科技手段，打破壟斷，形成資源節約型產業，把地下化石能源成本降下來。 相比於傳統煉油，設備成本為（1/5） 生產成本為（1/2），且更多的產出來源於石油中的生物質。