催化劑簡(jiǎn)介

又叫觸媒。根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）于1981年提出的定義，催化劑是一種物質(zhì)，它能夠改變反應(yīng)的速率而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化。這種作用稱為催化作用。涉及催化劑的反應(yīng)為催化反應(yīng)。

　　催化劑（catalyst）會(huì)誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變，而使化學(xué)反應(yīng)變快或減慢或者在較低的溫度環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。催化劑在工業(yè)上也稱為觸媒。

　　催化劑自身的組成、化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量在反應(yīng)前后不發(fā)生變化；它和反應(yīng)體系的關(guān)系就像鎖與鑰匙的關(guān)系一樣，具有高度的選擇性（或?qū)Ｒ恍裕Ｒ环N催化劑并非對(duì)所有的化學(xué)反應(yīng)都有催化作用，例如二氧化錳在氯酸鉀受熱分解中起催化作用，加快化學(xué)反應(yīng)速率，但對(duì)其他的化學(xué)反應(yīng)就不一定有催化作用。某些化學(xué)反應(yīng)并非只有**的催化劑，例如氯酸鉀受熱分解中能起催化作用的還有氧化鎂、氧化鐵和氧化銅等等。

　　初中書(shū)上定義：在化學(xué)反應(yīng)里能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后都沒(méi)有發(fā)生變化的物質(zhì)叫做催化劑，又叫觸媒。催化劑在化學(xué)反應(yīng)中所起的作用叫催化作用。

催化劑的原理及用途

　　在化工生產(chǎn)、科學(xué)家實(shí)驗(yàn)和生命活動(dòng)中，催化劑都大顯身手。例如，硫酸生產(chǎn)中要用五氧化二釩作催化劑。由氮?dú)?/span>跟氫氣合成氨氣，要用以鐵為主的多分組催化劑，提高反應(yīng)速率。在煉油廠，催化劑更是少不了，選用不同的催化劑，就可以得到不同品質(zhì)的汽油、煤油。汽車尾氣中含有害的一氧化碳和一氧化氮，利用鉑等金屬作催化劑可以迅速將二者轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氧化碳和氮?dú)狻Ｃ甘侵参?、?dòng)物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì)，生物體的化學(xué)反應(yīng)幾乎都在酶的催化作用下進(jìn)行，釀造業(yè)、制藥業(yè)等都要用催化劑催作。

　　我們可在波茲曼分布（Boltzmann distribution）與能量關(guān)系圖（energy profile diagram）中觀察到，催化劑可使化學(xué)反應(yīng)物在不改變的情形下，經(jīng)由只需較少活化能（activation energy）的路徑來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。而通常在這種能量下，分子不是無(wú)法完成化學(xué)反應(yīng)，不然就是需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)完成化學(xué)反應(yīng)。但在有催化劑的環(huán)境下，分子只需較少的能量即可完成化學(xué)反應(yīng)。

　　催化劑有三種類型，它們是：均相催化劑、多相催化劑和生物催化劑。

　　均相催化劑和它們催化的反應(yīng)物處于同一種物態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、或者氣態(tài)）。例如：如果反應(yīng)物是氣體，那么催化劑也會(huì)是一種氣體。笑氣（一氧化二氮）是一種惰性氣體，被用來(lái)作為麻醉劑。然而，當(dāng)它與氯氣和日光發(fā)生反應(yīng)時(shí)，就會(huì)分解成氮?dú)夂脱鯕?。這時(shí)，氯氣就是一種均相催化劑，它把本來(lái)很穩(wěn)定的笑氣分解成了組成元素所組成的物質(zhì)。

　　多相催化劑又稱非均相催化劑呈現(xiàn)在不同相（Phase）的反應(yīng)中，即和它們催化的反應(yīng)物處于不同的狀態(tài)。例如：在生產(chǎn)人造黃油時(shí)，通過(guò)固態(tài)鎳（催化劑），能夠把不飽和的植物油和氫氣轉(zhuǎn)變成飽和的脂肪。固態(tài)鎳是一種多相催化劑，被它催化的反應(yīng)物則是液態(tài)（植物油）和氣態(tài)（氫氣）。一個(gè)簡(jiǎn)易的非均相催化反應(yīng)包含了反應(yīng)物（或zh-ch:底物;zh-tw:受質(zhì)）吸附在催化劑的表面，反應(yīng)物內(nèi)的鍵因十分的脆弱而導(dǎo)致新的鍵產(chǎn)生，但又因產(chǎn)物與催化劑間的鍵并不牢固，而使產(chǎn)物出現(xiàn)。目前已知許多表反應(yīng)發(fā)生吸附反應(yīng)的不同可能性的結(jié)構(gòu)位置。

　　酶是生物催化劑，是植物、動(dòng)物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì)，舊稱酵素。生物體的化學(xué)反應(yīng)幾乎都在酶的催化作用下進(jìn)行。酶的催化作用同樣具有選擇性。例如，淀粉酶催化淀粉水解為糊精和麥芽糖，蛋白酶催化蛋白質(zhì)水解成肽等?；畹纳矬w利用它們來(lái)加速體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。如果沒(méi)有酶，生物體內(nèi)的許多化學(xué)反應(yīng)就會(huì)進(jìn)行得很慢，難以維持生命。大約在37℃的溫度中（人體的溫度），酶的工作狀態(tài)是*佳的。如果溫度高于50℃或60℃，酶就會(huì)被破壞掉而不能再發(fā)生作用。因此，利用酶來(lái)分解衣物上的污漬的生物洗滌劑，在低溫下使用*有效。酶在生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面，都有重大意義。目前，酶制劑的應(yīng)用日益廣泛。

　　人們利用催化劑，可以提高化學(xué)反應(yīng)的速度，這被稱為催化反應(yīng)。大多數(shù)催化劑都只能加速某一種化學(xué)反應(yīng)，或者某一類化學(xué)反應(yīng)，而不能被用來(lái)加速所有的化學(xué)反應(yīng)。催化劑并不會(huì)在化學(xué)反應(yīng)中被消耗掉。不管是反應(yīng)前還是反應(yīng)后，它們都能夠從反應(yīng)物中被分離出來(lái)。不過(guò)，它們有可能會(huì)在反應(yīng)的某一個(gè)階段中被消耗，然后在整個(gè)反應(yīng)結(jié)束之前又重新產(chǎn)生。

　　使化學(xué)反應(yīng)加快的催化劑，叫做正催化劑；使化學(xué)反應(yīng)減慢的催化劑，叫做負(fù)催化劑。例如，酯和多糖的水解，常用無(wú)機(jī)酸作正催化劑；二氧化硫氧化為三氧化硫，常用五氧化二釩作正催化劑，這種催化劑是固體，反應(yīng)物為氣體，形成多相的催化作用，因此，五氧化二釩也叫做觸媒或接觸劑；食用油脂里加入0.01%～0.02%沒(méi)食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸敗，在這里，沒(méi)食子酸正丙酯是一種負(fù)催化劑(也叫做緩化劑或抑制劑)。

　　目前，對(duì)催化劑的作用還沒(méi)有完全弄清楚。在大多數(shù)情況下，人們認(rèn)為催化劑本身和反應(yīng)物一起參加了化學(xué)反應(yīng)，降低了反應(yīng)所需要的活化能。有些催化反應(yīng)是由于形成了很容易分解的“中間產(chǎn)物”，分解時(shí)催化劑恢復(fù)了原來(lái)的化學(xué)組成，原反應(yīng)物就變成了生成物。有些催化反應(yīng)是由于吸附作用，吸附作用僅能在催化劑表面*活潑的區(qū)域(叫做活性中心)進(jìn)行?；钚灾行牡膮^(qū)域越大或越多，催化劑的活性就越強(qiáng)。反應(yīng)物里如有雜質(zhì)，可能使催化劑的活性減弱或失去，這種現(xiàn)象叫做催化劑的中毒。

　　催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響非常大，有的催化劑可以使化學(xué)反應(yīng)速率加快到幾百萬(wàn)倍以上。催化劑一般具有選擇性，它僅能使某一反應(yīng)或某一類型的反應(yīng)加速進(jìn)行。例如，加熱時(shí)，甲酸發(fā)生分解反應(yīng)，一半進(jìn)行脫水，一半進(jìn)行脫氫：

　　HCOOH=H2O+CO

　　HCOOH=H2+CO2

　　如果用固體Al2O3作催化劑，則只有脫水反應(yīng)發(fā)生；如果用固體ZnO作催化劑，則脫氫反應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行。這種現(xiàn)象說(shuō)明，不同性質(zhì)的催化劑只能各自加速特定類型的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。因此，我們利用催化劑的選擇性，可使化學(xué)反應(yīng)主要向某一方向進(jìn)行。

　　在催化反應(yīng)里，人們往往加入催化劑以外的另一物質(zhì)，以增強(qiáng)催化劑的催化作用，這種物質(zhì)叫做助催化劑。助催化劑在化學(xué)工業(yè)上極為重要。例如，在合成氨的鐵催化劑里加入少量的鋁和鉀的氧化物作為助催化劑，可以大大提高催化劑的催化作用。

　　催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中占有極其重要的地位，現(xiàn)在幾乎有半數(shù)以上的化工產(chǎn)品，在生產(chǎn)過(guò)程里都采用催化劑。例如，合成氨生產(chǎn)采用鐵催化劑，硫酸生產(chǎn)采用釩催化劑，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡膠等三大合成材料的生產(chǎn)中，都采用不同的催化劑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%~85%的化工生產(chǎn)過(guò)程使用催化劑（如氨、硫酸、硝酸的合成,乙烯、丙烯、苯乙烯等的聚合，石油、天然氣、煤的綜合利用，等等），目的是加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率。在資源利用、能源開(kāi)發(fā)、醫(yī)藥制造、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，催化劑也大有作為，科學(xué)家正在這些領(lǐng)域探索適宜的催化劑以期在某些方面有新的突破