催化剂与化学工业

催化剂与化学工业

催化剂与化工生产具有密世的关系，在现代化学工业中，约有80%的化学反应都与催化剂的存在有关。有人说：“没有催化剂就不能建立近代化学工业。”

一．催化作用的发现

怎样使乌黑的原油变成更有价值的车用燃料或形形色色的化工产品呢？用什么方法可以使固体硫黄变成液体硫酸呢？能否使各种化学反应进行得更快一些，并按照人们所需要的方向进行呢？这些问题都要由催化作用来解决。

催化作用就是利用一种叫做催化剂的特殊物质人为地使化学反应加速的过程。催化剂的特点之一是，反应前后它们的组成与质量不发生变化。初看起来，这种物质象是“局外物”，但实际上又离不了它，所以很长一个时期人们没有揭穿它的秘密。现在已经知道，催化剂在反应过程中和原料形成一种容易变成生成物的络合物，在反应结束时它又恢复成原状。

人们对催化作用的认识和催化科学的发展源于人类的生产活动。早在古代，我国劳动人民就知道用天然发酵法来制酒，酒是酵母菌发酵的产物，是其中酶催化作用的结果。在18世纪，硫酸是用所谓“铅室法”来制造的：将硫和硝石(NaNO3)一起燃烧所得气体通入底部盛水的铅室中，气体就溶在里面成为硫酸。当时化学家认为含氧元素多的硝石的作用，只是将硫直接氧化成三氧化硫。可是后来发现，通常在铅室过程中用的硝石量并不足以将硫氧化成三氧化硫。假如是硝石直接把硫氧化成三氧化硫，硝石的用量还需增加10倍左右。进一步研究发现，实现这一过程的关键在于硝石煅烧时所生成的进入铅室中的红褐色蒸汽——氮的氧化物。氮的氧化物的数量在反应时实际上并不发生变化。氮的氧化物的催化作用就这样被发现了，但在当时并没有引起注意。

1812年俄国一名科学家发现，将小麦粉和加有微量硫酸的水长时间共热，淀粉会先变成糊精，以后又转化为葡萄糖。引人注意的是，反应结束时，硫酸量一点也没有减少，这就发现了硫酸对这种反应的催化作用。

以后，各种“局外物”影响化学反应进行的现象知道得越来越多，但却得不到满意的解释。直到19世纪初，才对催化作用的原理和本质有了初步认识。1835年瑞典化学家柏齐里乌斯总结了当时的化学成就，明确地提出了催化学说，他把当时发现的某些物质在化学反应中能显著改变反应速率而本身不发生变化的作用称为催化力。催化与催化剂的概念自此开始。

19世纪科学技术有很大发展，加上人口增加要求提高粮食产量，经过半个世纪的研究，建立了采用催化剂的合成氨和硝酸的工业生产，为化

肥工业奠定了基础。据说，仅为确定合成氨用的氧化铁催化剂组成这一研究，就进行了几千种试验，筛选了两千多种催化剂。

二次世界大战以后，化工基础原料从煤向石油，石油化工发展异常迅速，现在人们生活上的衣食住行无不与石油化工产品密切相关。石油化工能够获得如此巨大的发展，就是由于催化剂的广泛应用。

二．催化剂的基本性质

催化剂在化学反应中有这么重要的作用，它到底具有哪些基本性质呢？

1．改变化学反应速率

化学反应速率是指化学反应中物质改变某种状态的速率。许多化学变化并不是把反应物一混合就立刻完成的。为了完成反应，需要经历一定的时间，而且每种反应都有它自己的变化时间。种种化学反应速率的差别也很大，如1kg三硝基甲苯爆炸只需十万分之一秒就完全分解，而古代植物变成烟煤，需要两亿多年的时间。

化学反应中加入少量催化剂就会对反应速率产生很大影响。例如，纯净的氢和氧的混合气体（爆鸣气）在9℃时生成0.15%的水要长达1060亿年的时间。如果在这种混合气体中加入少量铂石棉催化剂，反应就将在几分之一秒的时间内完成。

虽然催化剂对化学反应具有如此巨大的威力，但催化剂并不能使一切物质间发生反应并加速它。因为催化剂只能缩短到达反应平衡的时间，而不能使平衡移动。举例来说，将氮和氢按1∶3物质混合，在500℃和300×105Pa下，平衡时氨的浓度为27%。这是在这样的条件下理论上氨的浓度所达到的最高值，不论催化剂的活性有多大，也不能使氨的平衡浓度大于这个数值。就是说，催化剂不能使那些在热力学上不可能发生的反应发生。这就告诉我们不要为那些在热力学上不可能实现的反应白白浪费人力去寻找高效的催化剂。而应该根据热力学上的计算，弄清在某种条件下某一反应过程离平衡还有多大距离，然后选择更有利的反应条件并寻找适宜的催化剂。

2．降低反应的活化能

许多事实告诉我们，由于催化剂的存在，可以使那些不容易进行的反应变得容易进行，也就是说催化剂可以降低反应物质达到反应时所需要的能量。我们知道，分子之间发生反应的前提是分子之间的碰撞，但不是分子的每个碰撞都能引起反应，而是只有那些处于活化状态的分子才能发生反应。所谓活化状态是一种中间状态，它比之反应前后的状态一般是富于能量的。为了使反应能够进行，就需要对分子进行活化，克服它们的反应

惰性。这只有当分子获得一定的附加能量时才能实现。这种附加能量称为活化能。

催化剂的作用也可由设想中间络合物的产生来说明。在催化剂作用下的反应X→Y可分为两个步骤进行：催化剂与反应物分子X结合成中间络合物Z，消耗活化能b；再由Z分解成产物Y及催化剂，消耗活化能c。设a为非催化反应的活化能，而b和c均比a小得多，所以催化反应的活化能比非催化反应的活化能要小。反应过程可以表示成：X+k→Z→Y+K，其中K代表催化剂。

催化剂能够降低反应活化能也是其加快反应速率的最本质原因。

3．有特殊的选择性

当化学反应在理论上可能存在几个反应方向时，通常一种催化剂在一定条件下只能对其中的一个反应方向起加速作用，这种专门对某一个化学反应方向起加速作用的性能，就称为催化剂的选择性。乙醇的催化转化是一个很典型的例子。据统计，采用各种适当的催化剂，在不同的条件下，可以从乙醇制得20多种产物。例如，乙醇在200～250℃的金属铜催化剂上反应，可以得到乙醛和氢；在350～360℃的Al2O3催化剂上反应可以脱水生成乙烯和水；在400～450℃的ZnO、Cr2O3催化剂上反应可以得到丁二烯等等。催化剂的这种选择作用在工业上具有特别重要的意义，它好象一把钥匙开一把锁一样，使人们有可能合成出各种各样的产品。

4．有一定的寿命

在实践中常常可以碰到以下情况，具有很高活性的催化剂经过短时间使用后就会丧失催化能力，或者在使用过程中活性有逐渐下降的趋势。这种现象往往是由于反应原料中存在微量能使催化剂失掉活性的物质所引起的。这类微量物质称为催化毒物，这种现象就叫做催化剂中毒。例如，生产硫酸中所用的铂催化剂对砷非常敏感，只要落上极微量的砷，就会很快失效。这就是所说的催化剂中毒了。为了减轻催化剂中毒，当原料中有害杂质超过规定浓度时，就必须对原料进行精制，除去毒物，以延长催化剂的使用寿命。

固体催化剂除中毒外，还会发生所谓老化现象，就是让不含任何毒物的反应气体通过催化剂时，催化剂也会逐渐丧失加速反应的性能。产生这种现象的主要原因是催化剂反复在高温下操作，发生再结晶或表面熔化现象，致使其表面结构发生变化。工业催化剂在使用过程中由于受各种因素影响，寿命长短不一，有的只有几小时，有的长达几年。

当然，催化剂还有一些其他性质，而上面这些性质是催化剂的基本性质。

三．催化剂的组成