催化

催化改变化学反应速率而不影响化学平衡的作用。催化剂改变化学反应速率的作用称催化作用，它本质上是一种化学作用。在催化剂参与下进行的化学反应称催化反应。催化是自然界中普遍存在的重要现象，催化作用几乎遍及化学反应的整个领域。

中文名：催化

外文名：catalytic

类别：化学作用

1、定义

催化即通过催化剂改变反应所需的活化*能，改变反应物的化学反应速率，反应前后催化剂的量和质均不发生改变的反应。

催化

化学反应物要想发生化学反应，必须使其化学键发生改变，改变或者断裂化学键需要一定的能量支持，能使化学键发生改变所需要的最低能量阈值称之为活化*能，而催化剂通过改变化学反应物的活化*能进而影响反应速率。

正催化剂可加速反应；负催化剂或抑制剂则会与反应物反应进而降低化学反应。可提高催化剂活性的物质称为促进剂；降低催化剂活性者则称为催化毒。

2、发展史

早在公元前，中国已会用酒曲（生物酶催化剂）造酒。18世纪中叶，铅室法制硫酸中用二氧化氮作催化剂是工业上采用催化剂的开始。催化这个词是1835年J.J.贝采利乌斯引用到化学学科中来的。1902年W.奥斯特瓦尔德将催化定义为：“加速化学反应而不影响化学平衡的作用。”1910年实现合成氨的大规模生产，是催化工艺发展史上的里程碑。20世纪以来，催化工艺迅速发展，例如，20年代研究成功用钴催化剂由一氧化碳和氢合成液体燃料的费-托法；1955年研究成功齐格勒-纳塔催化剂，用于烯烃定向聚合；现代化学工业和炼油工业的生产过程，已有90%以上使用了催化方法。

3、原理

降低活化能

在催化反应过程中，至少必须有一种反应物分子与催化剂发生了某种形式的化学作用。由于催化剂的介入，化学反应改变了进行途径，而新的反应途径需要的活化能较低，这就是催化得以提高化学反应速率的原因。

催化示意图

例如，化学反应A+B→AB,所需活化能为E，在催化剂C参与下，反应按以下两步进行：

A+C→AC，所需活化能为E1。

AC+B→AB+C，所需活化能为E2。

E1、E2都小于E（见图）。催化剂C只是暂时介入了化学反应，反应结束后，催化剂C即行再生。

按阿伦尼乌斯方程k=Ae-E/RT（式中k为温度T时的反应速度常数；A为指前因子，也称为阿伦尼乌斯常数，单位与k相同；R为气体常数，kJ/mol·K；T为热力学温度，K；E为活化能，kJ/mol），以反应速率常数k表示的反应速率主要决定于反应活化能E，若催化使反应活化能降低ΔE，则反应速率即提高e-ΔE/RT倍。催化反应一般能降低活化能约41.82kJ/mol，若反应在300K下进行，则反应速率可增加约1.7×10倍。

作用方式

催化剂与反应物分子怎样发生化学作用，这与催化剂和反应物分子本身的性质有关。实验证明：有机化合物的酸催化反应一般是通过正碳离子机理进行的；碱催化反应则是由OH、RO、RCOO等阴离子起催化作用，例如：

CH3COOC2H5+OH→CH3COOH+C2H5O

C2H5O+H2O→C2H5OH+OH

过渡金属化合物催化剂在均相催化反应中的作用是络合催化作用；醇钠催化丁二烯聚合是通过*基机理进行的，例如：

C4H6+NaR→R·+C4H6Na·

C4H6Na·+nC4H6→Na（C4H6）n+1

性能指标

①催化活性：催化剂参与了化学反应，降低了化学反应的活化能，大大加快了化学反应的速率。这说明催化剂具有催化活性。催化反应的速率是催化剂活性大小的衡量尺度。活性是评价催化剂好坏的最主要的指标。

②选择性：一种催化剂只对某一类反应具有明显的加速作用，对其他反应则加速作用甚小，甚至没有加速作用。这一性能就是催化剂选择性。催化剂的选择性决定了催化作用的定向性。可通过选择不同的催化剂来控制或改变化学反应的方向。

③寿命或稳定性：催化剂的稳定性以寿命表示。它包括热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性。

4、催化种类

均相催化

催化剂与反应物同处于一均匀物相中的催化作用。有液相和气相均相催化。液态酸碱催化剂，可溶性过渡金属化合物催化剂和碘、一氧化氮等气态分子催化剂的催化属于这一类。均相催化剂的活性中心比较均一，选择性较高，副反应较少，易于用光谱、波谱、同位素示踪等方法来研究催化剂的作用，反应动力学一般不复杂。但均相催化剂有难以分离、回收和再生的缺点。

多相催化

多相催化发生在两相的界面上，通常催化剂为多孔固体，反应物为液体或气体。多相催化反应通常可按下述七步进行：①反应物的外扩散──反应物向催化剂外表面扩散；②反应物的内扩散──在催化剂外表面的反应物向催化剂孔内扩散；③反应物的化学吸附；④表面化学反应；⑤产物脱附；⑥产物内扩散；⑦产物外扩散。这一系列步骤中反应最慢的一步称为速率控制步骤。化学吸附是最重要的步骤，化学吸附使反应物分子得到活化，降低了化学反应的活化能。因此，若要催化反应进行，必须至少有一种反应物分子在催化剂表面上发生化学吸附。固体催化剂表面是不均匀的，表面上只有一部分点对反应物分子起活化作用，这些点被称为活性中心。

复相催化

复相催化是一独立的化学反应。它兼有均相催化的温度和多相催化的速度。同时具有可控的方向性。在反应时，全方位的进行催化，致使反应速度加快数千倍。由于催化能力倍增，使其可从碳水化合物中移动氢氧，而这正是把工业和生物废弃物“一步法”转化为标准汽柴油的科学基础。

生物催化

催化原理

酶是一种生物催化剂，生物体内的所有化学变化几乎都是在酶催化下进行的，酶的催化作用称为生物催化。酶的催化活性高，选择性强。生物催化在常温中性条件下进行，高温、强酸和强碱都会使酶丧失活性。离体的酶仍具有催化活性，可制成各种酶制剂应用在医学和工农业生产上。

金属催化

金属催化剂主要用于脱氢和加氢反应。有些金属还具有氧化和重整的催化活性。金属催化剂主要是指4、5、6周期的某些过渡金属，如铁、金、铂、钯、铑、铱等。金属催化主要决定于金属原子的电子结构，特别是没有参与金属键的d轨道电子和d空轨道与被吸附分子形成吸附键的能力。因此，金属催化剂的化学吸附能力和d轨道百分数是决定催化活性的主要因素。

金属氧化物催化

主要是指过渡金属氧化物催化，非过渡金属氧化物催化已归入酸碱催化。过渡金属氧化物催化剂广泛用于氧化、加氢、脱氢、聚合、加合等反应。实用的金属氧化物催化剂常为多组分氧化物的混合物，很多金属氧化物催化剂是半导体，其化学组成大多是非化学计量的，因此，催化剂组分很复杂。金属氧化物催化剂的导电性和逸出功、金属离子的d电子组态、氧化物中晶格氧特性、半导体电子能带、催化剂表面吸附能力等，都与催化剂的催化活性有关。

配位（络合）催化

金属、特别是过渡金属及其化合物有很强的络合能力，能形成多种类型的络合物。某些分子与金属（或金属离子）络合后便易于进行某特定反应，该反应称为配位（络合）催化反应，该金属或其化合物起络合催化剂作用。过渡金属络合催化剂在溶液中作为均相催化剂方面的研究和应用较多。过渡金属络合催化作用一般都是配位（络合）催化作用，即催化剂在其空配位上络合活化反应物分子。络合催化剂一般都是金属络合物或化合物，如钯、铑、钛、钴的络合物等。

酸碱催化

阿伦尼乌斯酸碱、布仑斯惕酸碱、路易斯酸碱（见酸碱理论）的催化作用都属酸碱催化作用。酸碱催化可分均相催化和多相催化。许多离子型有机反应，如水解、水合、脱水、缩合、酯化、重排等，常可用酸碱均相催化。以固体酸催化剂为代表的多相催化广泛用于催化裂化、异构化、烷基化、脱水、氢转移、歧化、聚合等反应。

5、应用

工业的应用

现代化学工业的巨大成就与催化剂的使用是分不开的。约90%以上的化学工业产品是借助于催化过程来生产的。

例如，从煤炭和石油资源出发合成了甲醇、乙醇、丙酮、丁醇等基本有机原料，改变了过去用粮食生产的途径；合成纤维的生产减轻了人类对棉花的依赖；塑料的发展减轻了人类对木材的依赖。合成橡胶、化肥、医药、合成食品、调味品的生产都与催化剂的使用分不开。

例如，硫酸的生产，相比于二氧化氮作催化剂的铅室法，产品浓度低、杂质多、产量小；用铂作催化剂可使硫酸产品浓度达98%以上，可制得发烟硫酸；用钒作催化剂后，产品质量大大提高，成本大幅度下降。又如炼油工业中的催化裂化，用分子筛催化剂代替无定形硅铝胶催化剂后，由于分子筛的择形作用，改变了裂化产物的分布，得到了高质量产品。

生态上的应用

处理各类废弃物

二氧化碳+废塑料轮胎→汽柴油+可燃气+炭黑，既解决了空中环境堵塞，又将地面废弃物转化为能源；煤+地面农、林、牧、城市生活废弃物、城市工业废弃物→汽柴油+可燃气+炭黑，既解决了地面的污染问题，地面生态通道的堵塞，和煤排出的CO2问题，又将煤、地面废弃物转化为急需的汽、柴油基础油，它产生的可燃气体和天然气的低碳排放是一个水平：排出的可燃气体，碳排放量为16%，天然气的碳排放量12%。

优化化石能源的产业结构

用先进的催化技术和仿生能源的工艺方法，将炼油工业转化为资源节约型的工业结构。石油→汽柴油+可燃气+炭黑，以高科技手段，打破垄断，形成资源节约型产业，把地下化石能源成本降下来。相比于传统炼油，设备成本为（1/5）生产成本为（1/2），且更多的产出来源于石油中的生物质。