催化剂 简介.doc

1、1催化劑 簡介催化劑的定義催 化 劑 （ catalyst） 會 誘 導 化 學 反 應 發 生 改 變 ， 而 使 化 學 反 應變 快 或 減 慢 或 者 在 較 低 的 溫 度 環 境 下 進 行 化 學 反 應 。 催 化 劑 在 工業 上 也 稱 為 觸 媒 。 催 化 劑 自 身 的 組 成 、 化 學 性 質 和 品 質 在 反 應 前 後 不 發 生 變 化； 它 和 反 應 體 系 的 關 係 就 像 鎖 與 鑰 匙 的 關 係 一 樣 ， 具 有 高 度 的 選擇 性 （ 或 專 一 性 ） 。 一 種 催 化 劑 並 非 對 所 有 的 化 學 反 應 都 有 催 化作

2、用 ， 例 如 二 氧 化 錳 在 氯 酸 鉀 受 熱 分 解 中 起 催 化 作 用 ， 加 快 化 學反 應 速 率 ， 但 對 其 他 的 化 學 反 應 就 不 一 定 有 催 化 作 用 。 某 些 化 學反 應 並 非 只 有 唯 一 的 催 化 劑 ， 例 如 氯 酸 鉀 受 熱 分 解 中 能 起 催 化 作用 的 還 有 氧 化 鎂 、 氧 化 鐵 和 氧 化 銅 等 等 。 初 中 書 上 定 義 ： 在 化 學 反 應 裡 能 改 變 其 他 物 質 的 化 學 反 應 速率 ， 而 本 身 的 品 質 和 化 學 性 質 在 反 應 前 後 都 沒 有 發 生 變 化

3、的 物 質叫 做 催 化 劑 ， 又 叫 觸 媒 。 催 化 劑 在 化 學 反 應 中 所 起 的 作 用 叫 催 化作 用 。 也 有 一 種 說 法 ， 催 化 劑 先 與 反 應 物 中 的 一 種 反 應 ， 然 後 兩 者的 生 成 物 繼 續 在 原 有 條 件 下 進 行 新 的 化 學 反 應 ， 而 催 化 劑 反 應 的生 成 物 的 反 應 條 件 較 原 有 反 應 物 的 反 應 條 件 有 所 改 變 。 催 化 劑 原先 因 發 生 化 學 反 應 而 生 成 的 物 質 會 在 之 後 進 一 步 的 反 應 中 重 新 生2成 原 有 催 化 劑 ， 即 上

4、 面 提 到 的 品 質 和 化 學 性 質 在 反 應 前 後 都 沒 有發 生 變 化 。 催 化 劑 的 原 理 及 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 。 汽 車

5、 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 佈 （ Boltzmann distribution） 與 能 量 關係 圖 （ energy profile diagram

6、） 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 。 催 化 劑 有 三 種 類 型 ， 它 們 是 ： 均 相 催 化 劑 、 多 相 催 化 劑 和 生物

7、 催 化 劑 。 均 相 催 化 劑 和 它 們 催 化 的 反 應 物 處 於 同 一 種 物 態 （ 固 態 、 液態 、 或 者 氣 態 ） 。 例 如 ： 如 果 反 應 物 是 氣 體 ， 那 麼 催 化 劑 也 會 是3一 種 氣 體 。 笑 氣 （ 一 氧 化 二 氮 ） 是 一 種 惰 性 氣 體 ， 被 用 來 作 為 麻醉 劑 。 然 而 ， 當 它 與 氯 氣 和 日 光 發 生 反 應 時 ， 就 會 分 解 成 氮 氣 和氧 氣 。 這 時 ， 氯 氣 就 是 一 種 均 相 催 化 劑 ， 它 把 本 來 很 穩 定 的 笑 氣分 解 成 了 組 成 元 素 所 組

8、 成 的 物 質 。 多 相 催 化 劑 又 稱 非 均 相 催 化 劑 呈 現 在 ） 的 反 應 中 ， 即 和 它 們催 化 的 反 應 物 處 於 不 同 的 狀 態 。 例 如 ： 在 生 產 人 造 黃 油 時 ， 通 過固 態 鎳 （ 催 化 劑 ） ， 能 夠 把 不 飽 和 的 植 物 油 和 氫 氣 轉 變 成 飽 和 的脂 肪 。 固 態 鎳 是 一 種 多 相 催 化 劑 ， 被 它 催 化 的 反 應 物 則 是 液 態 （植 物 油 ） 和 氣 態 （ 氫 氣 ） 。 一 個 簡 易 的 非 均 相 催 化 反 應 包 含 了反 應 物 （ 或 zh-ch:底 物

9、;zh-tw:受 質 ） 吸 附 在 催 化 劑 的 表 面 ， 反應 物 內 的 鍵 因 十 分 的 脆 弱 而 導 致 新 的 鍵 產 生 ， 但 又 因 產 物 與 催 化劑 間 的 鍵 並 不 牢 固 ， 而 使 產 物 出 現 。 目 前 已 知 許 多 表 反 應 發 生 吸附 反 應 的 不 同 可 能 性 的 結 構 位 置 。 酶 是 生 物 催 化 劑 ， 是 植 物 、 動 物 和 微 生 物 產 生 的 具 有 催 化 能力 的 蛋 白 質 ， 舊 稱 酵 素 。 生 物 體 的 化 學 反 應 幾 乎 都 在 酶 的 催 化 作用 下 進 行 。 酶 的 催 化 作

10、用 同 樣 具 有 選 擇 性 。 例 如 ， 澱 粉 酶 催 化 澱粉 水 解 為 糊 精 和 麥 芽 糖 ， 蛋 白 酶 催 化 蛋 白 質 水 解 成 肽 等 。 活 的 生物 體 利 用 它 們 來 加 速 體 內 的 化 學 反 應 。 如 果 沒 有 酶 ， 生 物 體 內 的許 多 化 學 反 應 就 會 進 行 得 很 慢 ， 難 以 維 持 生 命 。 大 約 在 37 的溫 度 中 （ 人 體 的 溫 度 ） ， 酶 的 工 作 狀 態 是 最 佳 的 。 如 果 溫 度 高 於 50 或 60 ， 酶 就 會 被 破 壞 掉 而 不 能 再 發 生 作 用 。 因 此 ，

11、 利 用 酶 來4分 解 衣 物 上 的 污 漬 的 生 物 洗 滌 劑 ， 在 低 溫 下 使 用 最 有 效 。 酶 在 生理 學 、 醫 學 、 農 業 、 工 業 等 方 面 ， 都 有 重 大 意 義 。 目 前 ， 酶 製 劑的 應 用 日 益 廣 泛 。 人 們 利 用 催 化 劑 ， 可 以 提 高 化 學 反 應 的 速 度 ， 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

12、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

13、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 裡 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

14、 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5越 大 或 越 多 ， 催 化 劑 的 活 性 就 越 強 。 反 應 物 裡 如 有 雜 質 ，

15、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

16、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 裡 ， 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

17、在 化 學工 業 上 極 為 重 要 。 例 如 ， 在 合 成 氨 的 鐵 催 化 劑 裡 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 的 地 位 催 化 劑 在 現 代 化 學 工 業 中 佔 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 裡 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

18、 等 三 大 合 成 材 料 的 生 產 中 ， 都 採 用 不 同 的 催 化 劑 。6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

19、催 化 劑 以 期 在 某 些 方面 有 新 的 突 破 。 催 化 劑 行 業 發 展 趨 勢美 國 Freedonia 集 團 日 前 發 佈 的 最 新 研 究 報 告 顯 示 ， 未 來 5年 雖 然 全 球 化 工 行 業 仍 將 維 持 健 康 發 展 的 勢 頭 ， 但 化 工 催 化 劑 需求 增 速 將 是 所 有 催 化 劑 終 端 領 域 中 最 慢 的 ， 尤 其 是 有 機 合 成 催 化劑 需 求 近 期 將 受 到 醫 藥 工 業 缺 乏 新 產 品 的 不 利 影 響 ， 然 而 這 種 不利 的 影 響 會 被 非 洲 、 亞 太 、 東 歐 和 中 東 地

20、區 石 化 工 業 的 擴 能 所 彌補 ； 聚 合 催 化 劑 的 需 求 增 速 則 將 是 所 有 催 化 劑 品 種 中 最 快 的 ， 主要 原 因 是 非 洲 和 中 東 地 區 聚 合 物 產 能 的 快 速 擴 張 ； 由 於 加 氫 處 理催 化 劑 需 求 量 穩 步 增 長 以 及 非 洲 、 中 東 和 亞 太 地 區 油 品 產 量 較 高， 煉 油 催 化 劑 需 求 也 將 非 常 強 勁 。 全 球 都 在 通 過 減 少 車 用 燃 料 的含 硫 量 來 減 輕 空 氣 污 染 ， 這 將 繼 續 增 加 催 化 劑 的 裝 載 量 。 據 Freedonia 稱 ， 未 來 5 年 全 球 催 化 劑 市 場 需 求 的 年 均 增 速有 望 接 近 6%， 到 2012 年 全 球 催 化 劑 市 場 份 額 將 達 到 163 億 美 元。 其 中 ， 北 美 市 場 占 32%的 市 場 份 額 ， 亞 太 占 31%， 西 歐 占 21%， 東 歐 、 拉 美 占 9%， 非 洲 、 中 東 占 7%。 如 果 按 需 求 量 計 算 ， 未7來 5 年 全 球 催 化 劑 有 望 以 年 均 2%的 速 度 增 長 ， 到 2012 年 全 球 催化 劑 市 場 需 求 量 將 達 到 530 萬 噸 。