催化剂改变化学反应进程的实质

《大学化学先修课》课程小论文

第八章小论文

题目：催化剂改变化学反应进程的实质

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摘要：

凡能改变反应速度而它本身的组成（化学性质）和质量在化学反应前后保持不变的物质称为催化剂。催化剂改变化学反应进程是通过改变化学反应的活化能。两个分子发生反应时必须经过一个过渡态，过渡态具有比反应物分子和产物分子都要高的势能，互撞的反应物分子必须具有较高的能量足以克服反应势能垒，才能形成过渡态而发生反应，此即活化能的本质。对于催化剂参与反应的类型，催化剂在本身参与反应时将原本的一步反应变为多步的中间反应，而这些中间反应的自由能能垒明显低于不加催化剂原本的自由能能垒，其结果就是使活化能降低，进而使得反应更容易进行，反应速率加快。

关键词：催化剂过渡态活化能自由能能垒

正文：

凡能改变反应速度而它本身的组成（化学性质）和质量在化学反应前后保持不变的物质称为催化剂。催化剂能改变反应速度的作用称为催化作用。其中改变反应速度包括加快反应和减慢两种方式。[1]

催化剂改变化学反应进程是通过改变化学反应的活化能。在元反应中，并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应。S.A.阿伦尼乌斯认为，只有“活化分子”之间的碰撞才能发生反应，而活化分子的平均能量与反应物分子平均能量的差值即为活化能。近代反应速率理论进一步指出，两个分子发生反应时必须经过一个过渡态——活化络合物，过渡态具有比反应物分子和产物分子都要高的势能，互撞的反应物分子必须具有较高的能量足以克服反应势能垒，才能形成过渡态而发生反应，此即活化能的本质。[2]

关于催化剂的催化机理，是一个比较复杂的课题。很多催化剂都有截然不同的反应路线。如果仅从一个非常简单模型来看：催化剂本身会参与反应——即反应物会先与催化剂结合，生成催化中间体。随后催化中间体经过一些变化，重新释放出催化剂本身，同时生成产物。也就是说同样是由反应物生成产物，有无催化剂经历了两种反应路线。而相比于没有催化剂参与的情况，有催化剂参与时生成催化中间体的反应以及催化中间体生成反应物的过程有着更低的自由能能垒。[3]

[4]

如图所示，展示了催化剂在本身参与反应时将原本的一步反应变为多步的中间反应，而这些中间反应的自由能能垒明显低于不加催化剂原本的自由能能垒，其结果就是使活化能降低，进而使得反应更容易进行，反应速率加快。

由图可知，催化剂的加入并不会改变反映初始时的和终止时的反应物产物的能量，反映总的能量变化也不改变。在其他条件不变的情况下，该可逆反应的反应标准平衡常数不发生改变，即催化剂的加入不能改变反应的转化率。并且要注意的是，由于催化剂改变的是反应的活化能，所以催化剂是同等程度的同时加快（或减慢）正反应与逆反应的反应速率。

参考文献：

[1]刘婉玲.探讨催化剂在化学反应中的变化及作用[J].福建广播电视大学学报，2007（64）：75

[2]E7卡卡，六耳银狐，陆雨亭，等.活化能_百度百科（DB/OL）

[3] 亭虚子.催化剂是怎样降低反应活化能的？_知乎（DB/OL）

[4] ？.Catalysis_Wikipedia（DB/OL）