catalyst(提高反應速率的化學催化劑)

catalyst，能顯著改變反應速率，其自身的化學性質和數量在反應前後均保持不變的物質。

基本介紹

• 中文名：催化劑
• 外文名：catalyst
• 意義：能顯著改變反應速率
• 種類：金屬催化劑等
• 特性：反應前後，化學性質不變等

選擇性

催化劑有的是單一化合物，有的是絡合化合物，有的是混合物。催化劑有選擇性，不同的反應所用的催化劑有所不同，例如澱粉氧化用的催化劑以NaClO2作氧化劑，Ni2+、Fe2+、Cu2+等催化作用較好;若用H2O2作氧化劑時，Fe2+、Mn2+等效果好，而Ni2+、Cu2+、Co2+等效果較差;當用KMnO4為氧化劑時，而是自身反應產生的Mn2+作催化劑，但Fe2+、Ni2+、Cu2+等均無催化作用。

同一反應也有不同效果的催化劑，例如聚乙烯醇縮甲醛化反應，以酸作催化劑，其效果是鹽酸(HCl)>硫酸(H2SO4)>磷酸(H3PO4)。同是苯酚與甲醛反應合成酚醛樹脂，使用氫氧化鈉、氫氧化鋇、鹽酸、氨水、草酸、醋酸、甲酸、硫酸、磷酸、氧化鎂、氧化鋅等催化劑，其產品性能都有所不同。

種類

①金屬催化劑。主要是指4、5、6周期的某些過渡金屬，如鐵、金、鉑、鈀、銠、銥等以及某些過渡金屬的合金，可用於脫氫和加氫反應，有些也具有氧化與重整的催化活性。

②半導體催化劑。主要是一些非化學計量的各種變價過渡金屬的氧化物，如ZnO、NiO、V2O5、Fe2O3、Cr2O3、MoO3等，能加速有電子轉移的氧化、加氫、脫氫等反應。實用的半導體催化劑常為多組分氧化物的複合物，其成分複雜，影響因素也較多。

③酸、鹼催化劑。阿倫尼烏斯酸鹼、布侖斯惕酸鹼、路易斯酸鹼的催化作用均屬酸鹼催化。酸鹼催化可分為均相與多相兩類。均相酸鹼催化一般以離子型機理進行。一些有質子轉移的反應，如水合和脫水，酯化與水解，烷基化和脫烷基反應等常可用均相酸鹼催化。多相酸鹼催化劑主要是固體酸鹼，其中套用較廣的是固體氧化物酸鹼催化劑，被用來催化下列反應：脫水和水合、同分異構化、裂化、烷基化、聚合、氫轉移等。氧化鋁、矽酸鋁、分子篩是固體酸催化劑中最重要的3種。

④配位（絡合）催化劑。一般是過渡金屬的無機或有機絡合物。在反應過程中，催化劑與反應基團構成配位鍵，形成中間絡合物，而使反應分子活化。配位（絡合）催化劑一般用在均相的催化反應中，可催化加氫脫氫、氧化、異構化、水合、羰基合成、聚合等反應。近年來，具有高催化活性的低分子絡合物與高分子相結合，製成負載性高分子催化劑，既保留了均相絡合催化活性、選擇性高的優點，又克服了催化劑不易分離、不穩定等缺點。

⑤酶催化劑。在生物體內進行的各種複雜反應基本上都是酶催化的反應。酶本身是一種蛋白質分子，是由胺基酸按一定順序聚合起來的、大小在3～100納米之間的大分子。酶催化劑具有高度的選擇性、極高的催化效率，且反應條件溫和。

特性

①反應前後，化學性質雖然不變，但因參與反應導致某些物理性質的改變。②對正、逆反應有同樣的催化作用，因此只能縮短達到平衡的時間，而不能改變系統的平衡組成。③有特殊的選擇性，某一類反應只能用某些催化劑來催化。④催化劑或反應系統中的少量雜質常可強烈地影響催化劑的性能。有些物質本身無催化作用，但加到催化劑中後，能大大提高催化劑的活性，稱為助催化劑。另有一些物質，加入少量就可大大降低甚至消除催化劑的催化作用，稱為毒物（或抑制劑）。

催化反應

人們利用催化劑，可以改變化學反應的速率，這被稱為催化反應。大多數催化劑都只能加速某一種化學反應，或者某一類化學反應，而不能被用來加速所有的化學反應。催化劑並不會在化學反應中被消耗掉。不管是反應前還是反應後，它們都能夠從反應物中被分離出來。不過，它們有可能會在反應的某一個階段中被消耗，然後在整個反應結束之前又重新產生。

使化學反應加快的催化劑，叫做正催化劑；使化學反應減慢的催化劑，叫做負催化劑。例如，酯和多糖的水解，常用無機酸作正催化劑；二氧化硫氧化為三氧化硫，常用五氧化二釩作正催化劑，這種催化劑是固體，反應物為氣體，形成多相的催化作用，因此，五氧化二釩也叫做觸媒或接觸劑；食用油脂里加入0.01%～0.02%沒食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸敗，在這裡，沒食子酸正丙酯是一種負催化劑(也叫做緩化劑或抑制劑)。

目前，對催化劑的作用還沒有完全弄清楚。在大多數情況下，人們認為催化劑本身和反應物一起參加了化學反應，降低了反應所需要的活化能。有些催化反應是由於形成了很容易分解的“中間產物”，分解時催化劑恢復了原來的化學組成，原反應物就變成了生成物。有些催化反應是由於吸附作用，吸附作用僅能在催化劑表面最活潑的區域(叫做活性中心)進行。活性中心的區域越大或越多，催化劑的活性就越強。反應物里如有雜質，可能使催化劑的活性減弱或失去，這種現象叫做催化劑的中毒。

催化劑對化學反應速率的影響非常大，有的催化劑可以使化學反應速率加快到幾百萬倍以上。催化劑一般具有選擇性，它僅能使某一反應或某一類型的反應加速進行。例如，加熱時，甲酸發生分解反應，一半進行脫水，一半進行脫氫：

HCOOH=H2O+CO

HCOOH=H2+CO2

如果用固體Al2O3作催化劑，則只有脫水反應發生；如果用固體ZnO作催化劑，則脫氫反應單獨進行。這種現象說明，不同性質的催化劑只能各自加速特定類型的化學反應過程。因此，我們利用催化劑的選擇性，可使化學反應主要向某一方向進行。

在催化反應里，人們往往加入催化劑以外的另一物質，以增強催化劑的催化作用，這種物質叫做助催化劑。助催化劑在化學工業上極為重要。例如，在合成氨的鐵催化劑里加入少量的鋁和鉀的氧化物作為助催化劑，可以大大提高催化劑的催化作用。

催化劑在現代化學工業中占有極其重要的地位，現在幾乎有半數以上的化工產品，在生產過程里都採用催化劑。例如，合成氨生產採用鐵催化劑，硫酸生產採用釩催化劑，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡膠等三大合成材料的生產中，都採用不同的催化劑。據統計，約有80%~85%的化工生產過程使用催化劑（如氨、硫酸、硝酸的合成，乙烯、丙烯、苯乙烯等的聚合，石油、天然氣、煤的綜合利用，等等），目的是加快反應速率，提高生產效率。在資源利用、能源開發、醫藥製造、環境保護等領域，催化劑也大有作為，科學家正在這些領域探索適宜的催化劑以期在某些方面有新的突破。催化劑顯然是參加了反應，只是作為一個反應中介，在反應前後總量不變（注意，不是在反應中總量不變），而使得加快或減緩反應速度的一種物質。

比如有反應 A+B=C

而A+R=X ，X+B=C+R 這樣反應的話，速度會和上式不一樣，

則R在反應前後問題沒有變化，則可說R是反應A+B=C的催化劑。

實際用途

在化工生產、科學家實驗和生命活動中，催化劑都大顯身手。例如，硫酸生產中要用五氧化二釩作催化劑。由氮氣跟氫氣合成氨氣，要用以鐵為主的多分組催化劑，提高反應速率。在煉油廠，催化劑更是少不了，選用不同的催化劑，就可以得到不同品質的汽油、煤油。化工合成酸性和鹼性色可賽思催化劑。車尾氣中含有害的一氧化碳和一氧化氮，利用鉑等金屬作催化劑可以迅速將二者轉化為無害的二氧化碳和氮氣。酶是植物、動物和微生物產生的具有催化能力的蛋白質，生物體的化學反應幾乎都在酶的催化作用下進行，釀造業、製藥業等都要用催化劑催作。

我們可在波茲曼分布（Boltzmann distribution）與能量關係圖（energy profile diagram）中觀察到，催化劑可使化學反應物在不改變的情形下，經由只需較少活化能（activation energy）的路徑來進行化學反應。而通常在這種能量下，分子不是無法完成化學反應，不然就是需要較長時間來完成化學反應。但在有催化劑的環境下，分子只需較少的能量即可完成化學反應。