催化与工业无机化学

催化原理

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想象你要从一个山谷走到隔壁那个山谷,可中间横着一道山脊。直接翻越山顶又累又慢。这时一位当地人给你指了一条隐秘的山口——山脊上一道更低的缺口,让你少爬许多就能到达同一个山谷。目的地没变,只是路变好走了。催化剂就是这位向导。它是一种能加快化学反应的物质,关键在于它从反应的另一端出来时毫发无损,随时准备引导下一位旅人。

更准确地说,催化剂通过与反应物结合、提供一条另选的、能量更低的步骤序列,来降低反应的活化能——也就是反应物分子在变成产物之前必须翻越的那道能量小山。它做这一切而自身不被消耗:它参与早期的步骤,又在后面的步骤中被重新生成,所以极少量的催化剂就能反反复复处理巨量的物料。一个常被误解的要点:催化剂使正反应和逆反应加快相同的倍数,所以它并不会移动平衡的位置,只是帮助体系更快地达到平衡。它无法让一个根本不可能发生的反应发生,只能加速一个在热力学上本就「向下走」的反应。催化分两大家族——均相催化,催化剂与反应物溶解在同一相中(常是可溶的金属配合物);多相催化(又称非均相催化),催化剂是一块固体表面,反应物吸附在上面。

可以说,催化正是无机化学在现实世界里赚到饭吃的地方。绝大多数人造化学品——化肥、燃料、塑料、药物——至少要经过一个催化步骤,而这些催化剂里多数是无机的或有机金属的。其中的经济利益极其巨大:一个更好的催化剂可能意味着工艺能在更低的温度和压力下运行,浪费更少物料、排放更少污染。这正是为什么寻找更便宜、更有选择性、更耐用的催化剂是整个化学中最活跃、最有价值的领域之一,也是为什么本领域后面的每一步,归根到底都是同一个想法的变奏:打开一扇能量更低的门,然后毫发无损地退出来。

过氧化氢自己也会慢慢分解成水和氧气,但丢进一点二氧化锰、或抹上一点血液(其中的酶——过氧化氢酶),它就会剧烈地冒泡——那块固体或那种酶提供了一条更容易的路,等泡冒完时它又毫发无损地回来了。

同一个反应,路径却快得多:催化剂不被消耗,所以一点点就能持续工作。

催化剂不改变能生成多少产物(即平衡),只改变多快能到达那里。谁要是声称某种催化剂能让你违反热力学,那他就是在卖假药。

又称
catalysis催化作用催化作用