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📜  催化——定义、机理、类型、特征

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:11.839000             🧑  作者: Mango

催化——定义、机理、类型、特征

大多数自然和人为的反应需要很长时间才能完成。必须添加一种称为催化剂的材料以加速该过程。因此，催化是加速反应的过程。让我们仔细看看催化、催化剂以及表面化学在该过程中的重要性。

什么是催化？

催化是由于包含催化剂而引起的化学反应速率的增加，该催化剂在催化反应中不被消耗并且可以多次函数。这种效果通常只需少量催化剂即可实现。催化过程中的催化剂通常会发生反应以生成瞬时中间体，然后在循环过程中再生原始催化剂。

催化机制

在催化剂存在下，从反应物到产物的总自由能不变，因为实现过渡态所需的自由能较少。催化剂可用于许多不同的化学反应。添加抑制剂（限制催化活性）或促进剂（提高催化活性）可以改变催化剂的效果（增加活性并影响反应温度）。

在相同温度和相同反应物浓度下，催化反应比未催化反应具有更低的活化能（活化的限速自由能），从而导致更快的反应速率。与任何其他化学反应一样，反应速率由反应物在速率决定阶段接触的频率决定。

通常，催化剂参与最慢的阶段。反应速率由所用催化剂的量决定。尽管催化剂在反应过程中没有被消耗，但随后的过程可以抑制、失活或破坏它们。

催化类型

可以粗略地分类以下类型的催化反应。

均相催化：当反应物和催化剂彼此同相时（即固体、液体或气体）。据称催化是均相的。

下面列出了均相催化的一些例子。

  • 在铅室法中，在作为催化剂的氮氧化物存在下，用氧气将二氧化硫氧化成三氧化硫。

2SO 2 (g) + O 2 (g) → 2SO 3 (g) (在NO(g)存在下)

反应物、产物和催化剂都处于相同的相或气态。

  • 糖水解由硫酸产生的 H+ 离子催化。

C 12 H 22 O 11 (l) + H 2 O(l) → C 6 H 12 O 6 (l) + C 2 H 12 O 6 (l) （存在H 2 SO 4 (l)）

多相催化：多相催化是一种催化过程，其中反应物和催化剂处于不同的阶段。

以下是多相催化的一些例子-

  • 在合成硫酸的接触法中，以铂金属或五氧化二钒为催化剂将二氧化硫氧化成三氧化硫。虽然反应物是气态的，但催化剂是固态的。

SO 2 (g) + O 2 (g) → 2SO 3 (g) (Pt(s)存在时)

  • 在 Haber 的工艺中，氮和氢在细碎铁的存在下结合产生氨。

N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g) (Fe(s)存在时)

  • 在 Ostwald 的程序中，氨在铂网作为催化剂的存在下转化为一氧化氮。

4NH 3 (g) + 5O 2 (g) → 4NO(g) + 6H 2 (g) (Pt(s)存在时)

正催化作用：当外来物质加快反应速度时，称为正触媒，这种现象称为正触媒。

以下是正催化的一些例子-

  • H 2 O 2在胶体铂存在下的分解。

2H 2 O 2 (l) → 2H 2 O(l) + O 2 (g) （存在 Pt 时）

负催化作用：某些物质加入反应混合物时，会减慢而不是加快反应速度。在这个过程中使用了负催化剂或抑制剂，称为负催化。

以下是一些负催化的例子——

  • 如果在氯仿中加入一些酒精，空气氧化会减慢。

2CHCl 3 (l) +O 2 (g) → 2COCl 2 (g) + 2HCl(g) (在酒精(l)存在下)

自催化：

其中一种产品在某些过程中起到催化剂的作用。开始反应缓慢，但生成产物后，反应速度加快。自动催化是此类事件的术语。

下面列出了均相催化的一些例子。

  • 当硝酸倒在铜上时，起初反应很慢，但由于产生亚硝酸而迅速加速，亚硝酸在此过程中充当自动催化剂。

酸碱催化：

根据 Arrhenius 和 Ostwald 的说法，H +或 OH -离子作为催化剂起作用。

  • 将丙酮转化为双丙酮醇，

CH 3 COCH 3 (l) +CH 3 COCH 3 (l) → CH 3 COCH 2 .C(CH 3 ) 2 OH(l) （存在OH - ）

  • 硝酰胺的分解-

NH 2 NO 2 (l) → N 2 O(g) + H 2 O(l) （存在 OH –时）

催化特性

以下是大多数催化反应共有的性质。

  1. 在反应结束时，催化剂的质量和化学组成保持不变。
  2. 催化剂不能启动反应。
  3. 在大多数情况下，催化剂是非常具体的。
  4. 催化剂不能改变平衡状态。
  5. 催化毒物。
  6. 催化促进剂。
  7. 温度的变化会影响催化反应的速度，就像在没有催化剂的情况下一样。

固体催化的重要特征

  • 活性：催化剂活性是指它们加速化学反应的速度。在某些反应中，加速度可以达到10 10倍。例如，在铂作为催化剂存在的情况下，H 2和 O 2之间生成 H 2 O 的反应会发生剧烈的爆炸性反应。在没有催化剂的情况下，H 2和O 2可以无限期地保持而不发生任何反应。
  • 选择性：催化剂是否有可能指导反应产生某些产品（不包括其他产品）。

催化理论

  • 均相催化的碰撞理论：根据碰撞理论，反应是由于反应分子之间的有效碰撞而发生的。为了有效地碰撞，分子必须具有称为活化能（E a ）的最低能量水平。碰撞后，分子形成活化复合物，然后解离以显示产物分子。该催化剂创造了一种需要较少活化能的新途径。
  • 多相催化的吸附理论：反应物在催化剂表面的吸附通常是多相催化反应的工作原理。催化的扩散理论可以用来描述这种表面反应的机理。对于固体表面上的气体过程，该理论提出了以下顺序。
    1. 反应物通过扩散扩散到表面。
    2. 反应物分子的表面吸附。
    3. 表面上，有化学反应。
    4. 产品从表面解吸。
    5. 产品从表面扩散开来。步骤 3] 确定一般的反应速率。另一方面，步骤 2] 和 4] 可能是速率确定。

模式吸附理论的优点：由于催化剂是反复再生的，少量的催化剂就足够了。催化剂参与该过程，但在其结束时产生，质量和化学成分不变。

沸石（形状选择性催化）

它们有一个β笼，看起来像一个蜂窝。反应物和产物分子的形状和大小影响沸石催化的过程。这就是为什么这些反应被称为形状选择性催化。

在石化工业中，沸石通常用作烃类裂解和异构化的催化剂。 ZSM-5沸石催化剂是石油部门广泛使用的沸石催化剂（分子孔隙率为5的沸石筛）。它首先将醇类脱水，从而将它们直接转化为汽油，从而产生碳氢化合物的混合物。在硬水的软化过程中，水合沸石被用作“离子交换剂”。

示例问题

问题 1：定义催化。

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问题 2：解释催化的特性。

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问题 3：解释沸石（形状选择性催化）。

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问题 4：解释自催化。

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