📌  相关文章
📜  什么是催化？ –定义，类型，特征

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:10.987000             🧑  作者: Mango

什么是催化？ –定义，类型，特征

在催化过程中，催化剂通常与反应物发生化学反应，但最终会被再生，因此催化剂水平保持恒定。由于催化剂没有被消耗，每一个催化剂分子都会引起大量反应物分子的转化。单个活性催化剂分子每分钟改变的分子数可高达数百万。

当给定的材料或物质的混合物经历两个或多个产生不同产物的同时反应时，产物的分布可以通过使用选择性地加速一个反应相对于另一个反应的催化剂来改变。

通过使用正确的催化剂，可以诱导某种反应发生，以至于它实际上排除了另一种反应。这种类型的选择性用于许多重要的催化应用。

什么是催化剂？

催化剂是我们在学习化学时多次遇到的术语，尤其是在学习化学反应时。虽然一些化学反应发生得很快，但另一些则需要很长时间，并且需要使用额外的材料或努力。这是催化剂可以提供帮助的地方。当加热到高温时，氯酸钾会缓慢分解，释放出分子氧。

分解发生在 653 和 873K 之间，因为，

2KClO 3 → 2KCl + 3O 2

然而，当添加少量二氧化锰时，分解发生在低得多的温度范围内，即 473-633K，而且分解速度要快得多。就质量和组成而言，已添加的二氧化锰保持不变。

同样，仅仅存在外来物质就可以改变各种化学反应的速率。 1835 年，贝采利乌斯首次系统地研究了各种外来物质对化学反应速率的影响。

催化剂的特性

  • 化学反应不是由催化剂引发的。
  • 该反应不消耗催化剂。
  • 催化剂倾向于与反应物反应形成中间体，同时也促进最终反应产物的产生。催化剂可以在整个过程之后再生。

催化剂类型

  1. 正催化剂：正催化剂是那些增加化学反应速率的催化剂。它通过降低活化能垒来加速反应，使大量反应分子转化为产物，提高产物收率的百分比。例如，氧化铁在 Haber 工艺中充当正催化剂，尽管氮反应较少，但仍可提高氨的产量。
  2. 负催化剂：减慢反应速率的催化剂，以及负催化剂它通过增加活化能垒来降低反应速率，从而减少可以转化为产物的反应物分子的数量，从而降低反应速率.例如，使用乙酰苯胺可以减缓过氧化氢分解成水和氧气的速度，乙酰苯胺作为一种负催化剂来减缓过氧化氢的分解速度。

催化类型

催化可大致分为两类：

均相催化

当反应物和催化剂处于同一相时，就会发生均相催化。均相催化的一些例子如下：

  • 在铅室工艺中，在作为催化剂的氮氧化物存在下，二氧化硫与双氧一起被氧化成三氧化硫。所有的反应物，二氧化硫和氧气，以及催化剂，一氧化氮，都处于同一相。

2SO 2 (g) + O 2 (g) → 2SO 3 (g) （在气态NO存在下）

  • 盐酸提供的H +离子催化乙酸甲酯的水解。反应物和催化剂处于同一相。

CH 3 COOCH 3 (l) + H 2 O(l) → CH 3 COOH(aq) + CH 3 OH(aq) （在HCl水溶液存在下）

多相催化

多相催化是指反应物和催化剂处于不同相的催化过程。以下是多相催化的一些例子：

  • 在 Pt 的存在下，二氧化硫被氧化成三氧化硫。反应物为气态，而催化剂为固态。

2SO 2 (g) → 2SO 3 (g) （在 Pt(s) 的存在下）

  • 在 Haber 的过程中，二氮和二氢在细碎铁的存在下结合形成氨。反应物为气态，而催化剂为固态。

4NH 3 (g) + 5O 2 (g → 4NO(g) + 6H 2 O(g) (在Pt(s)的存在下)

  • 以细碎镍为催化剂的植物油加氢反应。其中一种反应物为液态，另一种为气态，催化剂为固态。

植物油 (l) + H 2 (g) → 植物酥油 (s) （在固体镍存在下）

多相催化的吸附理论

该理论解释了多相催化的工作原理。催化吸附理论认为，气体或溶液形式的反应物吸附在固体催化剂的表面。反应速率随着表面上反应物浓度的增加而增加。因为吸附是一个放热过程，吸附热被用来提高反应速率。催化作用可以用中间化合物的形成来解释。

现代吸附理论是中间化合物形成理论和旧吸附理论的综合。催化活性集中在催化剂表面。该机制包括五个步骤：

  • 反应物扩散到催化剂表面。
  • 反应物分子在催化剂表面的吸附。
  • 催化剂表面的化学反应导致中间体的形成。
  • 从催化剂表面解吸反应产物，使表面可用于进一步反应。
  • 反应产物从催化剂表面扩散出去。与主体内部不同，催化剂的表面具有自由价，可作为化学吸引力的场所。当气体与这样的表面接触时，分子通过松散的化学组合保持在适当的位置。如果不同的分子彼此相邻吸附，它们可能会发生反应，从而形成新的分子。结果，形成的分子可能会蒸发，从而为新的反应物分子腾出表面空间。

这个理论解释了为什么催化剂，即使是少量的，在反应结束时质量和化学成分都保持不变。然而，它并没有解释催化促进剂和催化毒物是如何起作用的。

固体催化剂的重要特性

  1. 活性：在很大程度上，催化剂的活性取决于化学吸附的强度。为了变得活跃，反应物必须强烈吸附在催化剂上。然而，它们不能被如此强烈地吸附，以至于它们变得固定并且在催化剂表面上没有空间供其他反应物吸附。已经发现，对于氢化反应，催化活性从第 5 族金属增加到第 11 族金属，其中元素周期表的第 7-9 族元素表现出最高的活性。
  2. 选择性：催化剂的选择性是当在相同的反应条件下可能有许多产物时，它引导反应选择性地产生特定产物的能力。不同催化剂对相同反应物的选择性不同。可以推断，催化剂的作用本质上是高度选择性的。结果，在一个反应中充当催化剂的物质可能无法催化另一个反应。

沸石的择形催化

择形催化是指受催化剂孔结构以及反应物和产物分子大小影响的催化反应。由于其蜂窝状结构，沸石是优良的形状选择性催化剂。它们是具有三维硅酸盐网络的微孔铝硅酸盐，其中一些硅原子被铝原子取代，从而形成 Al-O-Si 骨架。沸石中发生的反应受反应物和产物分子的大小和形状以及沸石的孔隙和空腔的影响。它们可以在自然界中找到并合成用于催化选择性。

在石化工业中，沸石通常用作烃类裂解和异构化的催化剂。 ZSM-5 是用于石油工业的重要沸石催化剂。它将酒精脱水以产生碳氢化合物的混合物，然后将其直接转化为汽油（汽油）。

示例问题

问题 1：正催化剂如何改变反应？

回答：

问题2：催化剂毒物在罗森蒙德反应中的作用是什么？

回答：

问题 3：促进者在 Haber 过程中的作用是什么？

回答：

问题4：什么是自催化？

回答：

问题 5：举一个形状选择性催化剂的例子。

回答：

问题 6：定义电泳。

回答：