催化
此條目沒有列出任何參考或來源。 (2013年7月18日) |
催化(catalysis)或催化作用,是利用催化劑參與,改變化學反應速率而不影響化學平衡的作用。廣泛發生於無機物反應、有機物反應、生物體內反應。
許多化學工業要利用催化作用來獲得需要的反應速率。催化也是一種化工單元過程,催化劑本身在反應中不會被消耗,但催化劑會改變反應速率,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。
很多物質都可以做催化劑,在無機物反應中,通常利用酸、鹼、金屬或金屬化合物作為催化劑,在有機物反應中多用有性的蛋白質分子——酶作為催化劑,生物體內許多化學反應都依賴酶來進行的。
催化反應可以發生在均相催化和多相催化中,也可以發生在復相催化中:
在均相催化反應中,催化劑和反應物處於同一相中,一般發生在液體狀態中。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。
以過二硫酸根離子(S2O82-)與碘離子(I-)的反應為例:
- S2O82-(aq) + 2 I- = 2 SO42-(aq) +I2 (aq)
加入鐵(III)離子可催化以上反應,機理如下:
又例如以Δ代表催化劑,反應過程如下:
所以最終結果為:
本來A和B之間不能直接反應或反應速率太慢,Δ的存在促進了A和B之間的反應,生成了新的產品K。
多相反應中催化劑一般是固體,催化反應按照下列步驟進行:
- 擴散-反應物擴散到催化劑的表面;
- 吸附-反應物被吸附到催化劑表面;
- 反應-被吸附的反應物在催化劑表面解離各鍵,並因此發生反應,生成新產物;
- 脫附-新的產物從催化劑表面解吸。
- 擴散-產物從催化劑表面擴散
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,經常利用酶來進行催化。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。
複相催化反應
[編輯]複相催化是一獨立的化學反應。它兼有均相催化的溫度和多相催化的速度。同時具有可控的方向性。對固液氣均可進行催化且用量極少。在反應時,全方位的進行催化,致使反應速率加快數千倍。由於催化能力倍增,使其可從碳水化合物中移動氫氧,而這正是把工業和生物廢棄物「一步法」轉化為標準汽柴油的科學基礎。列如:
- 二氧化碳 + 廢塑料輪胎 --> 汽柴油+可燃氣+炭黑
既解決了空中環境堵塞,又將地面廢棄物轉化為能源;
- 煤+地面農、林、牧、城市生活廢棄物、城市工業廢棄物 --> 汽柴油+可燃氣+炭黑
既解決了地面的污染問題,地面生態通道的堵塞,和煤排出的二氧化碳問題,又將煤、地面廢棄物轉化為急需的汽、柴油基礎油,它產生的可燃氣體和天然氣的低碳排放是一個水平:排出的可燃氣體,碳排放量為16%,天然氣的碳排放量12%
優化化石能源的產業結構。用先進的催化技術和仿生能源的工藝方法,將 煉油工業轉化為資源節約型的工業結構。
- 石油 --> 汽柴油+可燃氣+炭黑
以高科技手段,打破壟斷,形成資源節約型產業,把地下化石能源成本降下來。 相比於傳統煉油,設備成本為(1/5) 生產成本為(1/2)且更多的產出來源於石油中的生物質
複相催化具有廣泛的用途。它可替代多相和均相催化。同時,它也會從本質上改變燃燒動力,因而對動能機械影響很大,像飛機,火車,輪船及其它大型運輸工具。因為它可解決加速度和長距離巡航問題。另外,它可降低多種物質的臨界點。這將極大的有利於核反應爐,超臨界萃取,地下油砂的開採。
氧化還原催化反應
[編輯]通過金屬氧化物中金屬元素的變價(氧化還原循環)來加速反應速率的催化作用。
參考
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外部連結
[編輯]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4c/Wikisource-logo.svg/38px-Wikisource-logo.svg.png)
- Science Aid: Catalysts Page for high school level science
- W.A. Herrmann Technische Universität presentation (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Centre for Surface Chemistry and Catalysis (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Carbons & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Center for Enabling New Technologies Through Catalysis, An NSF Center for Chemical Innovation, USA (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- "Bubbles turn on chemical catalysts" (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館), Science News magazine online, April 6, 2009.
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