催化

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催化是利用催化剂改变化学反应速度的一种工艺。许多化学工业要利用催化作用来获得需要的反应速度。催化也是一种化工单元过程,催化剂本身在反应中不会被消耗,但催化剂会改变反应速度,一催化劑亦可能參與複數的催化反應。正催化劑可加速反應;負催化劑或抑制劑則會與反應物反應進而降低化學反應。可提高催化劑活性的物質稱為促進劑;降低催化劑活性者則稱為催化毒。

相較於未催化的反應,同溫度的催化反應擁有較低的活化能。催化劑可以藉由結合反應物達到極化的效果,如酸催化劑之於羰基化合物的合成;催化劑也可產生非自然的反應中間物,如以四氧化鋨催化烯烴的雙羥基化中產生的鋨酸鹽酯;催化劑亦可造成反應物的裂解,如製氫時產生的單原子氫。

很多物质都可以做催化剂,在无机物反应中,通常利用金属或金属化合物作为催化剂,在有机物反应中多用有性的蛋白质分子——作为催化剂,生物体内许多化学反应都依赖酶來进行的。

催化反应可以发生在单相和多相中,也可以发生在复相中:

均相催化反应[编辑]

在均相反应中,催化剂和反应物处于同一相中,一般发生在液体状态中。催化劑可與反應物生成中間體,使反應機理轉變為另一個擁用較低活化能的新機理,故反應速率得以提升。

過二硫酸根離子(S2O82-)與碘離子(I-)的反應為例:

S2O82-(aq) + 2 I- = 2 SO42-(aq) +I2 (aq)
 E^{\ominus}=+1.47 \text{V}

加入鐵(III)離子可催化以上反應,機理如下:

\mathrm{2 Fe^{3+} _{(aq)} + 2 I^{-} _{(aq)}= I_{2 (aq)} + 2 Fe^{2+} _{(aq)}}
 E^{\ominus}=+0.23 \text{V}
\mathrm{2 Fe^{2+} _{(aq)} + {{S_{2}} {O_{8}}} ^{2-} _{(aq)} = 2 Fe^{3+} _{(aq)} +2 SO_{4}^{2-}{ _{(aq)}}}
 E^{\ominus}=+1.24 \text{V}

又例如以Δ代表催化剂,反应过程如下:

\left(\Alpha\right) + \left(\Delta\right) = \left(\Alpha\Delta \right)
\left(\Alpha\Delta \right) + \left(\Beta\right) = \left(\Kappa\right) + \left(\Delta\right)

所以最终结果为:

\left(\Alpha\right) + \left(\Beta\right) + \left(\Delta\right) = \left(\Kappa\right) + \left(\Delta\right)

本来A和B之间不能直接反应或反应速度太慢,Δ的存在促进了A和B之间的反应,生成了新的产品K。

多相催化反应[编辑]

多相反应中催化剂一般是固体,催化反应按照下列步骤进行:

  1. 擴散-反应物扩散到催化剂的表面;
  2. 吸附-反应物被吸附到催化剂表面;
  3. 反應-被吸附的反应物在催化剂表面解离各键,并因此发生反应,生成新产物;
  4. 脫附-新的产物从催化剂表面解吸。
  5. 擴散-產物從催化剂表面擴散

催化劑的催化作用原理較複雜,不同的催化劑的作用原理不盡相同,酶的催化作用更為複雜,而且具有高度的選擇性,只能對某種特定的反應進行催化,在食品工業和藥物合成中,經常利用酶来進行催化。另外,由於d棟元素原子具有不同數目的價電子及低能階的空電子能階,故能使反應物吸附在d棟金屬表面。因此在一些反應中,包括以哈柏法生產氨氣,d棟金屬可以提供一個適當的金屬表面,進行多相催化反應。此外,二氧化錳催化過氧化氫分解成水之反應亦為多相催化作用。

複相催化反应[编辑]

複相催化是一独立的化学反应。它兼有均相催化的温度和多相催化的速度。同时具有可控的方向性。对固液气均可进行催化且用量极少。在反应时,全方位的进行催化,致使反应速度加快数千倍。由于催化能力倍增,使其可从碳水化合物中移动氢氧,而这正是把工业和生物废弃物“一步法”转化为标准汽柴油的科学基础。列如:

二氧化碳 + 废塑料轮胎 --> 汽柴油+可燃气+炭黑

既解决了空中环境堵塞,又将地面废弃物转化为能源;

煤+地面农、林、牧、城市生活废弃物、城市工业废弃物 --> 汽柴油+可燃气+炭黑

既解决了地面的污染问题,地面生态通道的堵塞,和煤排出的二氧化碳问题,又将煤、地面废弃物转化为急需的汽、柴油基础油,它产生的可燃气体和天然气的低碳排放是一个水平:排出的可燃气体,碳排放量为16%,天然气的碳排放量12%

优化化石能源的产业结构。用先进的催化技术和仿生能源的工艺方法,将 炼油工业转化为资源节约型的工业结构。

石油 --> 汽柴油+可燃气+炭黑

以高科技手段,打破垄断,形成资源节约型产业,把地下化石能源成本降下来。 相比于传统炼油,设备成本为(1/5) 生产成本为(1/2)且更多的产出来源于石油中的生物质

複相催化具有广泛的用途。它可替代多相和均相催化。同时,它也会从本质上改变燃烧动力,因而对动能机械影响很大,像飞机,火车,轮船及其它大型运输工具。因为它可解决加速度和长距离巡航问题。另外,它可降低多种物质的临界点。这将极大的有利于核反应炉,超临界萃取,地下油砂的开采。

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