催化作用

催化作用是一个应用广泛的领域。催化剂能显著改变反应速率，但不影响反应的平衡位置。催化剂使反应物顺捷径变为生成物，但它本身的组成和数量都保持不变。凡能加快反应速率的催化剂称为正催化剂，而能减慢反应速率的则称为负催化剂，也叫抑制剂，如防止塑料、橡胶老化的添加剂就属这类物质。一般所说的催化剂是指加快反应速率的正催化剂。

当代石油化工的巨大成就与催化剂在工业上的广泛应用密切相关，催化剂的研制已是石油化工行业不可缺少的组成部分。石油炼制过程中的裂解、重整、加氢精制，塑料、橡胶、化纤工业中单体合成和聚合，无机化工原料合成氨、硝酸、硫酸的生产等等都是随工业催化剂的研制成功而迅速发展的。

从分子生物学的角度看，人体是一个极其复杂而有趣的催化体系。现在已知人体中有两千多种酶，每种酶能催化一种反应。要了解生命现象的奥秘， 必须了解酶的作用。再如汽车尾气的净化、酸雨的形成等与环境保护有关的问题也都涉及催化作用。催化理论至今还不成熟，这里只介绍两个公认的特点：一是催化剂降低了化学反应的活化能，二是催化剂有选择性。

什么是活化能呢？化学反应的实质是化学键的改组，断键时要吸收能量，成键时则释放能量，反应过程中能量变化如图 2－5 所示。反应物 A 与BC 发生反应的过程中，旧键将断未断，新键将

成未成的瞬间，体系处于过渡状态，叫活化态（A⋯B⋯C），活化态与起始态之间的能量差 Ea 叫活化能（图 2－5（a）），当有催化剂存在时所需活化能降为 Ea′（图 2－5（b））。也可以说：A 和 BC 起反应生成 AB+C 的过程，必须越过一个能垒，催化剂的作用在于降低了这个能垒，使反应物 A 和 BC 能顺捷径很快地转化为生成物 AB 和 C。例如乙醛（CH3CHO）分解为甲烷（CH4）和 CO 时，在 518℃，活化能 Ea=190kJ·mol-1，而用碘（I2）作催化剂，活化能 Ea′则降低为 136kJ·mol-1。

CH3CHO→CH4+CO Ea=190kJ·mol-1

CH3CHO ^I2→ CH4 + CO Ea ' = 136kJ • mol⁻¹

又如蔗糖（C2H22O11）可水解为葡萄糖（C6H12O6）和果糖（C6H12O6）。葡萄糖和果糖的化学式相同，但结构式不同：

C12H22O11+H2O——→C6H12O6+C6H12O6

蔗糖 葡萄糖 果糖

这是人体内一个很重要的化学反应，在蔗糖酶的催化作用下，活化能 E’a 为 36kJ·mol-1，若在室温试管中，所需活化能要高得多，约 107kJ·mol-1， 即反应速率慢得多。催化剂降低了反应活化能，加快了反应速率，这已是

共识，但活化能是怎样降低的，还众说纷纭，没有统一的看法。

催化剂的另一特点是选择性。许多反应可以生成多种产物，催化剂可以使反应定向进行。例如乙烯和氧气可以发生下列 3 种反应：

C2 H 4

• 1 O

2

₂→CH3 CHO ②

乙醛

C2 H 4 + 3O 2 →2CO2 + 2H 2 O ③

我们需要利用反应①制造环氧乙烷，或用反应②制造乙醛，但不希望得到的是这两种产物的混合物；至于反应③，则希望尽量少发生，因为这个反应是把宝贵的乙烯完全烧成了无用的 CO2 和 H2O。现在已经研制成功用Ag/Al2O3 催化剂走向加速反应①制得环氧乙烷，用氯化铜－氯化钯（CuCl2

－PdCl2）的盐酸溶液定向加速反应②获得乙醛。这是 60 年代化学工业上的一项重大成就。又如钴－钼/三氧化二铝（Co－Mo/Al2O3）催化剂加氢脱硫效果好，而镍－钨/三氧化二铝（Ni－W/Al2O3）催化剂加氢脱氮效果好。催化剂为什么能有选择性，是催化研究的重要课题。

不论是石油化学工业，还是生物化学、环境化学、材料化学等领域都涉

及各种与催化作用有关的问题。催化研究既有其理论意义，又有明显的应用背景，受到科技界和工业界的普遍关注。