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中图分类号:G633.8 文献标识码:B 文章编号:1672-1578(2013)02-0207-01
催化剂在中学化学中经常出现,而且种类较多,涉及的化学反应也很多,很多同学在解决有关催化剂问题是往往表现出概念不清,分类不清,使用混淆等诸多问题。因此,有必要对中学化学中的催化剂做一个较为全面的总结。
1.催化剂的概念
所谓催化剂指的是在化学反应中能改变化学反应的速率,而自身的质量和化学性质在反应前后不变的物质,催化剂所起的作用称为催化作用。
催化剂从催化作用上可分为正催化剂和负催化剂。
正催化剂指能加快化学反应速率的催化剂,负催化剂指能减慢化学反应速率的催化剂。
负催化剂的研究意义远不及正催化剂,中学化学中也不涉及。
因此,如没有特别说明,一般说的催化剂都指的是正催化剂。
2.催化剂的催化原理
由于催化剂在化学反应前后其质量和化学性质不变,因此有的同学认为催化剂不参加化学反应,实际上,催化剂正式由于参加了化学反应才改变了化学反应进行的速率,这可从其 催化原理上看出:
设催化剂M可加速反应:
⑴A﹢BAB其速率K1较小
其催化的过程为:
⑵A﹢MAM
其速率K2较大
⑶AM﹢BAB﹢M
其速率K3较大
反应⑵﹢⑶得
⑷A﹢B﹢MAB﹢M
即得:A﹢BAB
其速率K4比K1要大的多。
所以,催化剂实际上参加了化学反应,虽然其质量和化学性质并没有改变,但常有物理状态上的改变。
如实验室制O2用MnO2来催化KClO3的分解,反应后MnO2会由原来的颗粒状变为粉末状。工业上NH3的催化氧化用的是铂网,使用一段时间后表面就会变得很粗糙。
3.催化剂的特点
3.1 能够强烈的改变化学反应的速率。某些催化剂具有很高的活性,能够大大加快化学反应速率。例如,HI在500K分解时,加入某种Au的化合物作催化剂时,化学反应速率会增大约一千万倍。
3.2 参加化学反应,但其质量和化学性质在反应前后不变,仅仅有物理状态上的变化。
3.3 对可逆反应而言,若某物质对正反应是催化剂,则对逆反应也是催化剂,且催化效果相同,即该催化剂能同等程度地改变正逆反应的速率。所以催化剂可加快可逆反应达到化学平衡状态的时间,却不能改变化学平衡状态。
3.4 催化剂有特殊的选择性。某一类的反应只能用某些催化剂。如催化KClO3 和H2O2分解用的MnO2,对NH3和SO2的催化氧化却不起任何作用。又如C2H5OH在使用不同的催化剂时会得到不同的产品。
在473~523K时用金属Cu或Ag做催化剂时得到CH3CHO和H2,H2再被O2氧化得到H2O,在623~633K时用Al2O3做催化剂时得到CH2=CH2和H2O;在673~723K时,使用ZnO或Cr2CO3做催化剂时得到1,3-丁二烯等。
3.5 被催化的反应的反应速率和催化剂的浓度成正比,对固体催化剂而言,单独增加其用量远不及设法增加其与反应物的接触面所起的效果好。
如实验室制O2应尽可能将KClO3 和MnO2研成细粉,并充分混合以得到更好的效果。
又如工业上催化氧化NH3时要把金属铂制成铂网以增加和NH3、O2的接触面积。
3.6 催化剂的催化效果与温度有关,同一催化剂在不同温度下的催化效果相差是很大的。工业生产中涉及到有催化剂的可逆反应时,温度的选择首先考虑的就是催化剂活性最大时的温度。如工业合成氨的温度选700K就是因为该温度时催化剂铁触媒的活性最大。
3.7 某些杂质,即使少量也可强烈的影响催化剂的活性,使其失去催化作用,这称为催化剂中毒。如工业制H2SO4过程中,SO2在接触氧化之前一定要经过净化,除去其中的砷、硒化合物及矿尘等,它们都会使催化剂V2O5中毒。
4.中学化学中有催化剂参加的反应
4.1 无机反应
2KClO32KCl+3O2
(试验中如无MnO2可用CuO代替)
2H2O22H2O+O2
N2+3H22NH3
4NH3+5O24NO+6H2O
臭氧层的破坏主要是由于氟利昂CCl2F2收太阳紫外线照射分解出的卤素原子催化了O3的分解:
2O33O2
3I2 +2Al2AlI3
该反应在通常情况很难进行,滴加1~2滴水后迅速反应,反应放出的热量会使未反应的I2升华成紫色的蒸气,通常称该反应为"滴水生烟",此外将Al粉换成Mg、Zn、Fe、Cu,亦可进行。
4.2 有机反应。有机反应往往进行的较慢,且常伴有副反应发生,因此常要加热,加催化剂等外界条件,而催化剂使用较多的有酸类(浓H2SO4、稀H2SO4等)和金属类。
(1)浓H2SO4作催化剂
主要是包括醇类的脱水、酯化反应、硝化反应、纤维素的水解等。
CH3CH2OHCH2=CH2 + H2O
2CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3 + H2O
CH3COOH + CH3CH2OHCH3COOCH2CH3 + H2O
+ 3HNO3+ 3H2O
(C6H10O5)n (纤维素) + nH2O n C6H12O6(葡萄糖)
(2)稀H2SO4作催化剂。主要是一些水解反应,如酯类水解、糖类水解,实际上脂类和糖类的水解,只需无机酸即可,但一般不选用易挥发的HCl,及易挥发、易分解、具有强氧化性的HNO3。
CH3COOCH2CH3 + H2O CH3COOH + CH3CH2OH
C12H22O11(蔗糖) + H2OC6H12O6(葡萄糖) + C6H12O6(果糖)
C12H22O11(麦芽糖) + H2O2C6H12O6(葡萄糖)
(C6H10O5)n (淀粉) + nH2On C6H12O6(葡萄糖)
值得注意的是很多同学认为酯类水解加碱也可起催化作用,实际上碱不是催化剂,加入碱会中和水解产生的酸,使水解平衡正向移动并趋于完全。
(3)金属催化剂
主要包括不饱和结构与H2的加成,醇的催化氧化,苯的卤代反应。
CH2=CH2 +H2 CH3CH3
CHCH +H2CH3CH3
(4)酶
酶作为催化剂主要在动物体内新陈代谢中起作用,其主要特点有三个:条件温和,不需加热,具有高度专一性,具有高效催化作用。
C6H12O62CH3CH2OH +2CO2
(5)其他催化剂
CHCH +HClH2C=CHCl
CH2=CH2+ H2OCH3CH2OH
CHCH+H2OCH3CHO
2CH3CHO+O22CH3COOH
nCH2=CH2