催化剂是怎样起催化作用的?

Question

催化剂是怎样起催化作用的?

Answer 1

催化剂
定义：根据IUPAC于1981年提出的定义,催化剂是一种物质,它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化.这种作用称为催化作用.涉及催化剂的放映为催化反应.
催化剂（catalyst）会诱导化学反应发生改变,而使化学反应变快或者在较低的温度环境下进行化学反应.
我们可在波兹曼分布（Boltzmann distribution）与能量关系图（energy profile diagram）中观察到,催化剂可使化学反应物在不改变的情形下,经由只需较少活化能（activation energy）的路径来进行化学反应.而通常在这种能量下,分子不是无法完成化学反应,不然就是需要较长时间来完成化学反应.但在有催化剂的环境下,分子只需较少的能量即可完成化学反应.
催化剂有三种类型,它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂.
均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）.例如：如果反应物是气体,那么催化剂也会是一种气体.笑气（四氧化二氮）是一种惰性气体,被用来作为麻醉剂.然而,当它与氯气和日光发生反应时,就会分解成氮气和氧气.这时,氯气就是一种均相催化剂,它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素.
多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态.例如：在生产人造黄油时,通过固态镍（催化剂）,能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪.固态镍是一种多相催化剂,被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）.
酶是生物催化剂.活的生物体利用它们来加速体内的化学反应.如果没有酶,生物体内的许多化学反应就会进行得很慢,难以维持生命.大约在37℃的温度中（人体的温度）,酶的工作状态是最佳的.如果温度高于50℃或60℃,酶就会被破坏掉而不能再发生作用.因此,利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂,在低温下使用最有效.
催化剂分均相催化剂与非均相催化剂.非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中（例如：固态催化剂在液态混合反应）,而均相催化剂则是呈现在同一相的反应（例如：液态催化剂在液态混合反应）.一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面,反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生,但又因产物与催化剂间的键并不牢固,而使产物出现.目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置.
仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率,而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂.催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时,叫做单相催化作用；催化剂跟反应物属不同相时,叫做多相催化作用.
人们利用催化剂,可以提高化学反应的速度,这被称为催化反应.大多数催化剂都只能加速某一种化学反应,或者某一类化学反应,而不能被用来加速所有的化学反应.催化剂并不会在化学反应中被消耗掉.不管是反应前还是反应后,它们都能够从反应物中被分离出来.不过,它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗,然后在整个反应结束之前又重新产生.
使化学反应加快的催化剂,叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂,叫做负催化剂.例如,酯和多糖的水解,常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫,常用五氧化二钒作正催化剂,这种催化剂是固体,反应物为气体,形成多相的催化作用,因此,五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；食用油脂里加入0.01%～0.02%没食子酸正丙酯,就可以有效地防止酸败,在这里,没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂).
目前,对催化剂的作用还没有完全弄清楚.在大多数情况下,人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应,降低了反应所需要的活化能.有些催化反应是由于形成了很容易分解的“中间产物”,分解时催化剂恢复了原来的化学组成,原反应物就变成了生成物.有些催化反应是由于吸附作用,吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的区域(叫做活性中心)进行.活性中心的区域越大或越多,催化剂的活性就越强.反应物里如有杂质,可能使催化剂的活性减弱或失去,这种现象叫做催化剂的中毒.
催化剂对化学反应速率的影响非常大,有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上.催化剂一般具有选择性,它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行.例如,加热时,甲酸发生分解反应,一半进行脱水,一半进行脱氢：
HCOOH=H2O+CO
HCOOH=H2+CO2
如果用固体Al2O3作催化剂,则只有脱水反应发生；如果用固体ZnO作催化剂,则脱氢反应单独进行.这种现象说明,不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程.因此,我们利用催化剂的选择性,可使化学反应主要向某一方向进行.
在催化反应里,人们往往加入催化剂以外的另一物质,以增强催化剂的催化作用,这种物质叫做助催化剂.助催化剂在化学工业上极为重要.例如,在合成氨的铁催化剂里加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂,可以大大提高催化剂的催化作用.
催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位,现在几乎有半数以上的化工产品,在生产过程里都采用催化剂.例如,合成氨生产采用铁催化剂,硫酸生产采用钒催化剂,乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中,都采用不同的催化剂.
酶,是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质,旧称酵素.生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行.酶的催化作用同样具有选择性.例如,淀粉酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖,蛋白酶催化蛋白质水解成肽等.酶在生理学、医学、农业、工业等方面,都有重大意义.目前,酶制剂的应用日益广泛.