催化剂如何影响化学反应速率？

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介绍

催化是利用一种未被反应消耗的化学物质来改变反应速率的过程。因此，它不会改变过程的总化学计量，但它必须至少发生在催化反应机理中的一个基本过程中。虽然催化途径具有较低的活化能，但反应产生的总能量变化不受催化剂存在的影响。尽管如此，由于其较低的活化能，在相同温度下，催化反应的反应速率比非催化反应快。由于催化剂降低了能量势垒的高度，它的引入以相同的量提高了正向和反向反应速度。

nigerianscholars.com，反式效应能级图，CC BY-SA 4.0

什么是催化？

• 在化学中，催化是指改变反应速率，通常是通过引入在反应过程中未被消耗的化合物来实现的。

• 化学反应速率或速度受许多因素的影响，包括反应物的化学组成以及它们所处的环境条件。

• 催化剂——通过非反应物化学物质来加速化学过程——是一种与反应速度相关的特定现象，具有巨大的实际和理论意义。

化学反应中的催化剂是什么？

• 它是一种化合物，无需参与反应过程，即可增加或减少开始化学反应所需的压力或温度。催化是利用催化剂加速反应的过程。

• 催化剂通过降低Ea（活化能）（即开始反应所需的能量）来提高反应效率。因此，催化剂促进化学键的形成和断裂，从而产生新的分子和化合物。

• 催化剂可以实现更快、更节能的操作。催化剂还具有选择性这一关键特性，使其能够控制反应，增加所需产物的数量，同时最大限度地减少不需要的副产物。它们可以创造具有全新潜在用途的完全不同的材料。

• 在过去几年中，科学家们已经开发出更具有选择性的催化剂，用于重要的实际应用。强大的催化剂尤其改变了化学工业。这些发现导致了可生物降解的聚合物、新药以及更环保的肥料和燃料。

• 在哈伯法中，铁用作催化剂。在这个过程中，通常使用铁作为催化剂。选择铁是因为它有助于在更短的时间内获得足够的产物产量。

什么是均相催化？

• 当催化剂和反应物处于相同的物质状态（通常是液体或气体）时，这些反应被认为是均相催化。

• 在生产硫酸的铅室法中，氮氧化物作为二氧化硫氧化的催化剂，这是一个催化反应的例子，其中反应物和催化剂都是气体。

• 一些气体反应，例如O₂和CO在干燥环境下的缓慢反应，是由H₂O残留物催化的。

• SO₃是通过二氧化硫与分子氧在氮氧化物作为催化剂存在下氧化形成的。

  $$\mathrm{O_2 (g)+2SO_2 (g)→2SO_3 (g)}$$

什么是多相催化？

• 在许多已知的催化反应中，催化剂和反应物并不处于相同的相。这被称为多相催化。

• 它们涉及在固体催化剂表面上液体、气体或两者之间的反应。

• 由于反应发生在表面，因此在金属网、细分金属、整合到载体基质中的金属以及金属薄膜中经常使用的方法，在当前的多相催化中被用来为一个催化剂单元提供高表面积。

• 金属可以直接使用，也可以转化为硫化物、氧化物或卤化物。

• 二氧化硫在铂存在下反应生成SO₃。

  $$\mathrm{3SO_2 (g)→2SO_3 (g)}$$

  在这种情况下，催化剂是固体，而反应物是气体。

催化剂如何影响化学反应速率？

• 合适的催化剂可用于提高反应速率。催化剂是一种加速化学反应但不被消耗的物质。它在替代化学途径中提供较低的活化能。

• 为了提高大量前驱物之间的反应速度，只需要非常少量的催化剂。

  • 催化剂具有很高的特异性。

  • 并非所有反应都有可用的催化剂。

• 催化剂降低了反应过渡态的能量。因为活化能是反应物能量和过渡态能量之间的差值，所以降低过渡态能量也降低了活化能。

• 对于未催化和催化反应，产物和反应物的能量相同。因此，添加酶不会影响过程中释放的总能量。这强调了一个关键点：反应动力学，即反应速率，与过程的热力学没有直接关系。

Emma Ambrogi，催化剂能量图，CC BY-SA 4.0

结论

可以得出结论，催化是利用催化剂来提高化学反应速率的技术。催化剂在反应中不被消耗。如果反应速度很快并且催化剂循环利用速度很快，则通常只需要相对少量的催化剂；表面积、混合和温度都是影响反应速率的关键因素。催化剂通常与一种或多种反应物相互作用以生成中间体，然后这些中间体生成反应的最终产物，从而在反应中再生催化剂。

常见问题

1. 吸附是什么意思？

吸附是指分子在液体或固体表面上的浓度，而不是在其本体中。

2. 毒物和促进剂是什么意思？

促进剂是提高催化效率的化合物。例如，钼用作促进剂以提高哈伯氨合成过程中催化剂Fe的活性。

毒物是抑制催化剂功能的化合物。例如，钯在Rosenmund过程中用作催化剂。

3. 解释吸附和解吸的概念。

解吸是指从吸附表面去除吸附物质的过程。

吸附是指两种物质同时发生吸附和吸收的过程。

4. 酶作为生物催化剂有哪些特征？

催化一系列与植物和动物体内发生的维持生命过程相关的自然过程有关的反应的酶被称为生物催化剂。

5. 镍用作催化剂吗？

由于其断裂C-C键的倾向，镍基催化剂在重整反应中最常用。由于其耐受反应环境的能力，镍通常被负载到氧化铝上。