催化剂

催化剂-应用分析

人们利用催化剂，可以提高化学反应的速度，这被称为催化反应。大多数催化剂都只能加速某一种化学反应，或者某一类化学反应，而不能被用来加速所有的化学反应。催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中被分离出来。不过，它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗，然后在整个反应结束之前又重新产生。

使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫，常用五氧化二钒作正催化剂，这种催化剂是固体，反应物为气体，形成多相的催化作用，因此，五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；

催化剂

食用油脂里加入0.01%～0.02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。

目前，对催化剂的作用还没有完全弄清楚。在大多数情况下，人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应，降低了反应所需要的活化能。有些催化反应是由于形成了很容易分解的“中间产物”，分解时催化剂恢复了原来的化学组成，原反应物就变成了生成物。有些催化反应是由于吸附作用，吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的区域(叫做活性中心)进行。活性中心的区域越大或越多，催化剂的活性就越强。反应物里如有杂质，可能使催化剂的活性减弱或失去，这种现象叫做催化剂的中毒。

催化剂对化学反应速率的影响非常大，有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。催化剂一般具有选择性，它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行。例如，加热时，甲酸发生分解反应，一半进行脱水，一半进行脱氢：

HCOOH=H2O+COHCOOH=H2+CO2

如果用固体Al2O3作催化剂，则只有脱水反应发生；如果用固体ZnO作催化剂，则脱氢反应单独进行。这种现象说明，不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程。因此，我们利用催化剂的选择性，可使化学反应主要向某一方向进行。

在催化反应里，人们往往加入催化剂以外的另一物质，以增强催化剂的催化作用，这种物质叫做助催化剂。助催化剂在化学工业上极为重要。例如，在合成氨的铁催化剂里加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂，可以大大提高催化剂的催化作用。

催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位，现在几乎有半数以上的化工产品，在生产过程里都采用催化剂。例如，合成氨生产采用铁催化剂，硫酸生产采用钒催化剂，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中，都采用不同的催化剂。

酶，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质，旧称酵素。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。酶的催化作用同样具有选择性。例如，淀粉酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖，蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。酶在生理学、医学、农业、工业等方面，都有重大意义。目前，酶制剂的应用日益广泛。无论是在初学化学还是在高中化学中，都涉及催化剂问题，许多化学反应都需要催化剂，催化剂不仅是化学的一个十分重要的概念和知识点，目前现代化学工业也正在朝着材料和能源方向发展，这就决定了化学催化剂的作用越来越大，比如工业合成氨是在高温、高压、铁触媒催化条件下进行的，而生物固氮是在常温常压下进行的，有机和生化反应中应用催化剂的更多。目前催化剂已经成为一门学科。因此教学中帮助学生准确把握和理解这个概念是非常重要的。不仅如此，还要运用好这个知识点，培养学生科技创新意识、研究探究能力。

对于催化剂的概念，不同的教材版本有不同的描述，人教版的定义是：在化学反应前后能改变化学反应的速率，但本身的化学性质和物理性质都没有改变的物质，叫这个反应的催化剂。现在沪教版的定义把人教版定义中的“改变”换成“加快”，为此还颇有一番争议。

初中化学课程标准中的要求是：认识催化剂的重要作用。初中学生刚接触化学，只要求简单认识了解一些简单常见的化学现象、常见元素及其物质的性质、用途、实验室制备等方面知识，从新课程标准出发，笔者认为对这个概念的基本要求是：通过实验，让学生自然形成催化剂的概念，在此基础上进一步了解催化剂的应用，而不能引申和拔高。以前使用的人教版的教材是通过氯酸钾受热分解制取氧气的实验引出催化剂概念的。不妨用三个实验对比来说明问题：

实验一：把少量的二氧化锰和氯酸钾混合物放在试管里加热片刻，用带余烬的木条插入管口，木条复燃，说明有氧气产生。

实验二：把少量氯酸钾放在试管里加热片刻，用带余烬的木条插入管口，木条不燃，说明没氧气产生。在加热几分钟，看到氯酸钾融化，有少量气泡，用带余烬的木条插入管口，木条复燃，说明有氧气产生。

实验三：把少量的二氧化锰放在试管里加热片刻，用带余烬的木条插入管口，木条没有复燃，说明没有氧气产生。

以上三个实验说明二氧化锰具有使氯酸钾在较低温度下迅速反应放出氧气的本领。从而引出催化剂的概念：这种在化学反应里能改变其他物质的反应速率，而本身的性质在放入前后都没有变化的物质叫催化剂。沪教版教材在讲催化剂概念时，改用二氧化锰催化双氧水溶液分解来制取氧气的实验，原因是：一是对二氧化锰是不是氯酸钾分解反应的催化剂人们还有争议，因为反应中生成有红色物质；二是二氧化锰催化分解双氧水的反应环保，现象明显。

笔者也曾在初中化学课教学课堂上通过实验、对比、观察、分析、总结、归纳，引出催化剂的概念，但必须把握准确定义要点，就是“改变”或“加快”其他物质的反应速度而自身的质量和性质都没有改变。因为学生是初次认知此概念，笔者认为用“加快”更直观些。课堂上学生会问为什么，我当时用了一个简单的比喻：俗话说无中间人事不成，就像人介绍对象，经媒婆三言两语成了，媒婆有特殊的本能或者说话技巧，至于哪些物质可以做催化剂，它们又是怎样促进反应的，留待以后我们深入学习，有兴趣的同学可以查查资料，老师帮你解决。

在高中教学实践中，在做分组实验时笔者把学生分成五个组：一组做[实验１]和[实验２]，二组做

[实验３]，三组做二氧化锰催化双氧水溶液分解制氧气的实验，四组做氧化铜催化双氧水溶液分解实验，五组做氧化镁催化双氧水溶液分解实验。通过观察、对比、引导学生分析归纳出以下结论：一是催化剂加快了其他物质的反应速度而自身的质量和性质在反应前后不变，但状态可能改变。二是催化剂可能参与了反应，[实验３]中看出反应物颜色改变和二氧化锰颗粒状态的改变说明二氧化锰可能参与了反应。三是一种反应的催化剂可能不止一种，可以在同类型物质中寻找。

相比高中教学对催化剂概念的要求标准就要高多了，而且随着学习的深入对催化剂概念理解也在不断加深、拓展。教师首先要全面、准确把握概念的内涵和外延。

首先准确定义概念。这里再用“加快”之词就是原则性错误了。

从催化剂的反应机理上分析，人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应，催化剂降低了反应的活化能。催化反应是由于形成了很容易分解的“中间产物”，分解时催化剂恢复了原来的化学组成，原反应物就变成了生成物，所以说催化剂参与了化学反应。有些催化反应是利用表面吸附作用，这是一个物理过程，如合成氨用的铁触媒，吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的叫做活性中心的区域进行。有些反应过程中催化剂增大了反应的活化能，催化剂就起到减慢反应速率的作用。当然有机化学中的化学反应需要催化剂的机理更复杂。

从催化剂的应用看。以前将催化剂分成了两类：使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。其实在日常生活中，绝大多数的催化剂都是加快反应的速率。当然也有很多的在起减缓反应的速率的作用，最熟悉的正催化剂例子，就是二氧化锰在氯酸钾受热分解中起催化作用的那个实验，二氧化锰在实验中就是正催化剂。为了防止食用油脂的酸败，通常要加入０.０１％－０.０２％的没食子酸正丙脂，在这里，没食子酸正丙脂就是阻化剂。但就其原理都是消耗了所谓的催化剂，用一种与其中一种反应物反应更快的物质替代了另一种反应物，并不是真正的催化剂，因为反应前后的质量和化学性质都发生了改变。因此这种“负催化剂”在反应中是消耗的，所以现在多改用其他名称了，如阻制剂。

国际纯粹化学及应用化学联合建议(1997年)的定义是：存在较少量就能显著地加速反应而其本身最后并无损耗的物质称为该反应的催化剂。

催化剂在化学反应中的作用是改变化学反应途径来改变速度的，并不是说没有催化剂化学反应就不能进行，更不可能提高反应后产品的总产量。还是拿氯酸钾受热分解的反应来说吧！如果不加催化剂，氯酸钾在高温至融化时也能分解，而且分解后所得物质质量，和加了催化剂后分解所得物质质量（除去催化剂质量）是一样的！

根据催化剂的物理和化学性质，可将其分为以下几类。

1.多相催化，这类催化剂是固体材料如分子筛、金属、金属氧化物、硫化物等。催化反应发生在固、气相的界面上，大部分化学工业流程均为多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。

2.均相催化，这类催化剂通常是含有金属的复杂分子，催化反应在气相或液相中进行。催化剂和反应物均溶解于气相和液相中，如烃烯聚合。

3.光催化吸收光能促进化学反应，如光合作用。

4.电催化利用化学方法使电极表面具有催化活性。

5.酶催化和仿酶催化，酶是一种高分子蛋白质，生物的各种生理过程都是在酶控制下进行的，同时酶也可用于工业生产，如用酒曲造酒酿醋。

生物酶也是催化剂，相比酶是特殊的蛋白质，更具特性：一是高效性，常温下它可以成百上千倍的提高反应速率。二是专一性，一种酶只控作用一种化学反应，对其他不产生作用。三是固定的作用条件，酶是蛋白质，剧烈条件下易于变性而失活，所以酶的高效必须在一定的PH、温度等温和的条件下才能发挥，强酸、强碱、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。

催化剂是化学研究中的永久的主题。催化是自然界存在的进行催化化学反应的特殊作用，生物体内产生的化学反应均借助于酶催化。自从人们发现酶的化学本质是蛋白质以来，已有200多种酶提纯，并对其作用机制也有了一定的了解。70年代初期兴起的酶工程技术已在食品、医药等领域显示了他的生命力，而基因工程的出现又进一步拓宽了酶工程的应用范围。生物催化如此定向、如此精确地进行着，至今人们还难于模拟酶催化的反应。只要有化学反应，就有如何加快反应速度的问题，就会有催化剂的研究。在化工生产（如石油化工、天然气化工、煤化工等）、能源、农业（光合作用等）、生命科学、医药等领域均有催化剂的作用和贡献。

《化学课程标准》要求：作为科学教育的重要组成部分，新的化学课程倡导从学生和社会发展的需要出发，发挥学科自身的优势，恰当设计实验，将科学探究作为课程改革的突破口，激发学生的主动创新意识，促使学生积极主动地学习，使学习化学知识和技能的过程也成为理解化学、进行科学探究、联系社会生活实际和形成科学价值观的过程。在研究性活动中，教师还注重在关键时刻给予学生鼓励性评价，激发学生不断追求新的发现。并让学生体验创新发现的乐趣。整个活动体现了引导学生“合作、自主、探究”学习的新课程理念。

所以在中学教学中的不同阶段，准确把握催化剂概念，适当拓展，是十分必要的。