催化劑簡介

又叫觸媒。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）于1981年提出的定義，催化劑是一種物質(zhì)，它能夠改變反應的速率而不改變該反應的標準Gibbs自由焓變化。這種作用稱為催化作用。涉及催化劑的反應為催化反應。

　　催化劑（catalyst）會誘導化學反應發(fā)生改變，而使化學反應變快或減慢或者在較低的溫度環(huán)境下進行化學反應。催化劑在工業(yè)上也稱為觸媒。

　　催化劑自身的組成、化學性質(zhì)和質(zhì)量在反應前后不發(fā)生變化；它和反應體系的關系就像鎖與鑰匙的關系一樣，具有高度的選擇性（或?qū)Ｒ恍裕?。一種催化劑并非對所有的化學反應都有催化作用，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。某些化學反應并非只有**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：在化學反應里能改變其他物質(zhì)的化學反應速率，而本身的質(zhì)量和化學性質(zhì)在反應前后都沒有發(fā)生變化的物質(zhì)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。

催化劑的原理及用途

　　在化工生產(chǎn)、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(chǎn)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(zhì)的汽油、煤油。汽車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(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì)，生物體的化學反應幾乎都在酶的催化作用下進行，釀造業(yè)、制藥業(yè)等都要用催化劑催作。

　　我們可在波茲曼分布（Boltzmann distribution）與能量關系圖（energy profile diagram）中觀察到，催化劑可使化學反應物在不改變的情形下，經(jīng)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(huán)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、多相催化劑和生物催化劑。

　　均相催化劑和它們催化的反應物處于同一種物態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、或者氣態(tài)）。例如：如果反應物是氣體，那么催化劑也會是一種氣體。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(fā)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(wěn)定的笑氣分解成了組成元素所組成的物質(zhì)。

　　多相催化劑又稱非均相催化劑呈現(xiàn)在不同相（Phase）的反應中，即和它們催化的反應物處于不同的狀態(tài)。例如：在生產(chǎn)人造黃油時，通過固態(tài)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(tài)鎳是一種多相催化劑，被它催化的反應物則是液態(tài)（植物油）和氣態(tài)（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;zh-tw:受質(zhì)）吸附在催化劑的表面，反應物內(nèi)的鍵因十分的脆弱而導致新的鍵產(chǎn)生，但又因產(chǎn)物與催化劑間的鍵并不牢固，而使產(chǎn)物出現(xiàn)。目前已知許多表反應發(fā)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(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì)，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。酶的催化作用同樣具有選擇性。例如，淀粉酶催化淀粉水解為糊精和麥芽糖，蛋白酶催化蛋白質(zhì)水解成肽等?；畹纳矬w利用它們來加速體內(nèi)的化學反應。如果沒有酶，生物體內(nèi)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(tài)是*佳的。如果溫度高于50℃或60℃，酶就會被破壞掉而不能再發(fā)生作用。因此，利用酶來分解衣物上的污漬的生物洗滌劑，在低溫下使用*有效。酶在生理學、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面，都有重大意義。目前，酶制劑的應用日益廣泛。

　　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(shù)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。催化劑并不會在化學反應中被消耗掉。不管是反應前還是反應后，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，然后在整個反應結束之前又重新產(chǎn)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；食用油脂里加入0.01%～0.02%沒食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸敗，在這里，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(shù)情況下，人們認為催化劑本身和反應物一起參加了化學反應，降低了反應所需要的活化能。有些催化反應是由于形成了很容易分解的“中間產(chǎn)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。有些催化反應是由于吸附作用，吸附作用僅能在催化劑表面*活潑的區(qū)域(叫做活性中心)進行?；钚灾行牡膮^(qū)域越大或越多，催化劑的活性就越強。反應物里如有雜質(zhì)，可能使催化劑的活性減弱或失去，這種現(xiàn)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(fā)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作催化劑，則只有脫水反應發(fā)生；如果用固體ZnO作催化劑，則脫氫反應單獨進行。這種現(xiàn)象說明，不同性質(zhì)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。

　　在催化反應里，人們往往加入催化劑以外的另一物質(zhì)，以增強催化劑的催化作用，這種物質(zhì)叫做助催化劑。助催化劑在化學工業(yè)上極為重要。例如，在合成氨的鐵催化劑里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。

　　催化劑在現(xiàn)代化學工業(yè)中占有極其重要的地位，現(xiàn)在幾乎有半數(shù)以上的化工產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程里都采用催化劑。例如，合成氨生產(chǎn)采用鐵催化劑，硫酸生產(chǎn)采用釩催化劑，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡膠等三大合成材料的生產(chǎn)中，都采用不同的催化劑。據(jù)統(tǒng)計，約有80%~85%的化工生產(chǎn)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(chǎn)效率。在資源利用、能源開發(fā)、醫(yī)藥制造、環(huán)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催化劑以期在某些方面有新的突破