華煜青(杭州第十四中學(xué)康橋校區(qū),浙江 杭州 310015)
中學(xué)催化劑的種類(lèi)及應(yīng)用研究
華煜青(杭州第十四中學(xué)康橋校區(qū),浙江 杭州 310015)
催化劑是化學(xué)中最常見(jiàn)的物質(zhì)之一,它能改變化學(xué)反應(yīng)速率,縮短或延長(zhǎng)反應(yīng)完成時(shí)間。幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都可以在催化劑的作用下提高生產(chǎn)效率,因此找到合適的催化劑至關(guān)重要。介紹催化劑的性質(zhì)及其對(duì)化學(xué)反應(yīng)的作用機(jī)理,舉例說(shuō)明中學(xué)用到催化劑的化學(xué)反應(yīng),并對(duì)其催化機(jī)理作簡(jiǎn)要分析,最后總結(jié)催化劑的發(fā)展趨勢(shì)。
催化劑;種類(lèi);機(jī)理
催化劑又稱(chēng)之為觸媒,是指改變化學(xué)反應(yīng)速率,但其自身的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量都不變的元素或化合物。催化劑用量小,作用大,分別應(yīng)用于加氫、脫氫、聚合、酯化等催化反應(yīng)。
中學(xué)課本里,對(duì)催化劑的催化解釋是不參與化學(xué)反應(yīng),但在一些文獻(xiàn)及試題中都有關(guān)于催化劑參與反應(yīng)的問(wèn)題。因此,本文對(duì)中學(xué)涉及到的催化劑進(jìn)行探討,介紹催化劑的性質(zhì),從催化機(jī)理上解釋催化劑發(fā)揮作用的方式。通過(guò)舉若干例子,對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的催化機(jī)理進(jìn)行逐一分析,得出催化劑是否參與反應(yīng)的結(jié)論。
1.1 催化劑的性質(zhì)
催化劑是指改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率而不改變化學(xué)平衡,且本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒(méi)有發(fā)生改變的物質(zhì)。
催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響有正催化作用也有逆催化作用,正催化作用即加快化學(xué)反應(yīng)速率,逆催化作用即減慢化學(xué)反應(yīng)速率,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的要求不同,利用催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)完成時(shí)間進(jìn)行控制。在整個(gè)化學(xué)反應(yīng)中,催化劑只是影響反應(yīng)速率,因此它的質(zhì)量化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生任何變化,但是其物理性質(zhì)可能會(huì)變成變化。一般情況下,催化劑僅僅對(duì)改變某一化學(xué)反應(yīng)有幫助,而對(duì)于其他的化學(xué)反應(yīng)影響微乎其微,因此,催化劑具有選擇性。此外,催化劑在參與化學(xué)反應(yīng)時(shí),可能需要一定的溫度、壓力,讓催化劑達(dá)到最大的使用活性,即催化劑具有一定活性。
1.2 催化劑的作用機(jī)理
催化劑的作用機(jī)理有兩種解釋?zhuān)创呋瘎┎粎⑴c化學(xué)反應(yīng)和催化劑參與化學(xué)反應(yīng)兩種。
1.2.1 催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)
在中學(xué)課本上,催化劑在反應(yīng)前后,本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)都不發(fā)生變化,但是其物理性質(zhì)可能發(fā)生變化,視具體的化學(xué)反應(yīng)而呈現(xiàn)不同的變化形態(tài)。
1.2.2 催化劑參與化學(xué)反應(yīng)
這種理論解釋是基于活化能原理,所謂活化能是指分子從常態(tài)轉(zhuǎn)化為容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需的最小能量,這是由瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯提出的。催化劑在化學(xué)反應(yīng)中參與反應(yīng),與反應(yīng)物生成一種中間產(chǎn)物,該過(guò)程所需的活化能要比原反應(yīng)物所需的活化能要小很多。反應(yīng)過(guò)程可以表述如下
式中A,B是反應(yīng)物,C是催化劑。
若按照催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的解釋?zhuān)呋瘎┦紫扰cKClO3反應(yīng),生成高錳酸鉀、氯氣和氧氣,如式(2)所示,而后高錳酸鉀在加熱的環(huán)境下分解成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣,如式所示(3),最后,錳酸鉀和氯氣反應(yīng),生成氯化鉀、二氧化錳和氧氣,如式(4)。綜上,要判斷MnO2是否參與反應(yīng),只需測(cè)定生成的氧氣中的純度,是否混有氯氣。目前,對(duì)于MnO2催化作用還沒(méi)有完全弄清楚,主要是因?yàn)榉磻?yīng)制得的氧氣中含有氯氣的氣味。
二氧化錳的催化作用還被應(yīng)用在過(guò)氧化氫H2O2分解實(shí)驗(yàn)中,這也是實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的一種方法。在常溫下,過(guò)氧化氫就可以自分解成氧氣和水,但是反應(yīng)很慢,當(dāng)在試管中加入少量的二氧化錳時(shí),有大量的氣泡冒出,由帶火星的木條測(cè)試知是氧氣,其化學(xué)反應(yīng)方程式如式(5)所示,在這個(gè)反應(yīng)中二氧化錳作為催化劑,通過(guò)降低反應(yīng)的活化能,單位體積內(nèi)的活化分子百分?jǐn)?shù)增加,使得過(guò)氧化氫的分解速率加快。
2.1 金屬催化劑
2.1.1 二氧化錳
二氧化錳是中學(xué)化學(xué)力最常見(jiàn)到的催化劑,如在氯酸鉀(KClO3)分解制取氧氣的實(shí)驗(yàn)中,讓氯酸鉀與二氧化錳(MnO2)進(jìn)行混合加熱到200℃,可以釋放出氧氣與氯化鉀。這種方法是一種常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室制氧法。通常會(huì)在反應(yīng)堆里加入二氧化錳,能夠很明顯的觀察到試管一端氣體冒出。若催化劑不參與化學(xué)反應(yīng),則化學(xué)反應(yīng)式可以表述為式(1);
2.2.2 鐵觸媒
鐵觸媒主要成分是指+2價(jià)鐵和+3價(jià)鐵組成的氧化物,工業(yè)制取氨氣通常采用鐵觸媒作為催化劑,在高溫500℃、高壓20MPa~50MPa的反應(yīng)爐里,氮?dú)釴2和氫氣H2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氨氣.
3.1 催化劑的微觀解釋
幾乎所有的金屬催化劑都是過(guò)渡金屬或者貴金屬,它主要催化的化學(xué)反應(yīng)是加氫、脫氧反應(yīng)。對(duì)于過(guò)渡金屬元素,其最外層有1~2個(gè)電子,次外層有1~10個(gè)電子,因此(n-1)dns有未成對(duì)的電子。即使d電子完全充滿,根據(jù)能量躍遷原則,也有可能躍遷到s層軌道上,因此d軌道上有未成對(duì)的電子,從而產(chǎn)生化學(xué)吸附。所謂化學(xué)吸附是指吸附質(zhì)和吸附劑的表面產(chǎn)生化學(xué)鍵,即原子間發(fā)生了電子交換、移動(dòng)。因此,催化劑與反應(yīng)物的化學(xué)吸附分析結(jié)果決定了催化劑是否能發(fā)揮作用。液體催化劑的催化是由于在液體中,反應(yīng)物、催化劑以離子形式存在,增大了反應(yīng)物與催化劑的接觸機(jī)會(huì),使得反應(yīng)向右進(jìn)行。對(duì)于酶,其分子結(jié)構(gòu)是剛性的,但是其表面具有特定的形狀,與反應(yīng)物結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng),而對(duì)于其他反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)不起作用,這種目前對(duì)酶催化的一種微觀解釋。
3.2 催化劑的發(fā)展趨勢(shì)
3.2.1 高效節(jié)能
催化劑的作用是改變化學(xué)反應(yīng)的速率,就目前中學(xué)接觸到的,都是正催化劑,即加快反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)中也有負(fù)催化劑,如減緩某些氣體產(chǎn)出的速率,防止壓力驟增,發(fā)生爆炸。對(duì)于任何一款催化劑,選擇標(biāo)準(zhǔn)是希望催化速率快、轉(zhuǎn)化效率高,能夠在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生作用,減小反應(yīng)控制的難度,即在常溫常壓下即可發(fā)生作用。
3.2.2 綠色催化
隨著資源數(shù)量的日益減少,環(huán)境質(zhì)量的不斷惡化,霧霾、沙塵,水土流失等現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,工業(yè)發(fā)展與環(huán)境的和諧發(fā)展很早就被提出來(lái)了,雖然有一定的改善和進(jìn)步,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不斷夠。催化劑作為現(xiàn)代化工必不可少的一環(huán),它的使用和處理也成為綠色化工中很重要的問(wèn)題。雖然催化劑在化學(xué)反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)不變,質(zhì)量不變,但是在使用過(guò)程中受種種因素干擾,如某些外來(lái)反應(yīng)物、反應(yīng)溫度過(guò)高、壓力過(guò)大等,會(huì)使得催化劑緩慢甚至快速失活,而且這種失活是不可逆的。一旦催化劑失活,則在該化學(xué)反應(yīng)中即是廢料,如何對(duì)廢料處理,變廢為寶是綠色化工中一直考慮的問(wèn)題。因此,催化劑的選用、以及催化劑的處理是未來(lái)催化劑的一個(gè)重要研究方向,選擇合適的催化劑,既能保證化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行,也能減少或者消除產(chǎn)生對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境有害的產(chǎn)物。
催化劑的研制及其技術(shù)的發(fā)展,是化學(xué)工業(yè)中優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn),找到一款合適的催化劑,化學(xué)反應(yīng)就成功了一大半。現(xiàn)在中學(xué)課本接觸到的催化劑大都是簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室方法和部分工業(yè)方法,對(duì)于工業(yè)上使用催化劑要復(fù)雜的多。催化劑的理論研究仍在繼續(xù),活化能理論在一定程度解釋了發(fā)生催化反應(yīng)的實(shí)質(zhì),在微觀層面上,如原子、電子等,一些新的催化理論正在進(jìn)行當(dāng)中。
[1]王祖浩.化學(xué)[M].江蘇教育出版社,1999.
[2]陳文召.催化劑在化學(xué)中的角色及其應(yīng)用[J].吉林教育, 2008(25):75-76.
華煜青(1999-),女。