催化剂

催化剂又称触媒，一类能改变化学反应速度而在反应中自身并不消耗的物质。根据IUPAC于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。其作用通常是加速反应，例如铁催化剂可使氮和氢转变为氨的反应大为加速，使合成氨工业成为可能。若其作用是使反应减速,则称负催化剂,如少量醇、酚或蔗糖可抑制亚硫酸钠溶液被溶于水中的氧所氧化。催化剂可以是气态物质（如氧化氮）、液态物质（如酸、碱、盐溶液）或固态物质（如金属、金属氧化物），还有些以胶体状态存在(如生物体内的酶)。在催化剂工业中，主要产品是固体催化剂。

一种催化剂可使特定的反应循阻力较小的途径进行，降低所需的活化能，从而使反应加速。例如图中虚线表示反应物循非催化反应途径转变成产物，活化能为E。当存在某种固体催化剂时,其反应途径如实线所示：第一步，反应物与催化剂作用，变成吸附态的反应物，活化能为E₁；第二步，吸附态的反应物转变成吸附态的产物，活化能为E₂；第三步,吸附态的产物脱附,变成产物并释放出催化剂，活化能为E₃。虽然这两条途径的结果相同，但在催化反应途径中，各步骤的活化能均小于非催化反应途径的活化能，故阻力较小，反应加速。在催化反应途径中，催化剂虽然参与反应，但经历特定的循环后重新被释放出来，此循环过程称催化循环。负催化剂的作用通常是能毒化反应系统中原有的催化剂或截断反应链。

　　
一种催化剂只能选择性地加速某一或某些特定的化学反应，意即同一催化剂对于不同的反应具有不同的催化活性，称催化剂选择性。利用催化剂对反应的选择性来控制原料的化学转变方向，在化学工业中有重要意义。
　　
在可逆反应中，对于正、逆反应的速度，催化剂是以同样的倍率产生影响的。所以催化剂虽然能加速化学反应，

但它不能改变化学平衡常数，只能影响反应向平衡状态推进的速度。例如铂、钯催化剂可使苯加氢转变为环己烷，但在有利于脱氢反应的热力学条件下，它们亦可使环己烷脱氢成苯。

催化剂在使用过程中，因某些物理和化学作用破坏了催化剂原有的组织和构造，催化剂会降低或丧失活性，这种现象称为催化剂衰退或催化剂失活。例如反应物中的某些杂质与催化剂作用或覆盖于催化剂表面，会使催化剂中毒，导致催化剂衰退。有些催化剂失活后可以用特定的方法处理，使催化剂再生,重新恢复催化活性;有些催化剂失活后不能再生。但所有的催化剂都有一定的使用期限，称催化剂寿命。

催化剂有三种类型，它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂。
均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）。例如：如果反应物是气体，那么催化剂也会是一种气体。笑气（四氧化二氮）是一种惰性气体，被用来作为麻醉剂。然而，当它与氯气和日光发生反应时，就会分解成氮气和氧气。这时，氯气就是一种均相催化剂，它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素。

多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。
酶是生物催化剂。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。

催化剂分均相催化剂与非均相催化剂。非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中（例如：固态催化剂在液态混合反应），而均相催化剂则是呈现在同一相的反应（例如：液态催化剂在液态混合反应）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。
仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率，而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂。催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时，叫做单相催化作用；催化剂跟反应物属不同相时，叫做多相催化作用。

在某些反应中，单一的元素或化合物可作为催化剂;但在多数场合为了使催化剂具备特定的性能,常由几种成分配合而成。各种组分按作用的不同可分为催化活性组分、助催化剂、催化剂载体等。活性组分是使催化剂具备活性所必需的成分,例如催化加氢用的镍-硅藻土催化剂中的镍、氨合成用的Fe-K₂O-Al₂O₃催化剂中的铁。固体催化剂是借助其表面与作用物接触才发生催化作用的，故多数为具有较高比表面积的物质。但并非固体的全部表面均具有催化活性，具有活性的部分称为催化活性中心或活性位。活性中心的组成、构造及其生成和破坏，在催化理论和实践中均具有重要意义。助催化剂是一类能改善活性组分的催化性能的物质。为了提高活性组分的分散度和利用率，并使催化剂具有一定的形状,许多固体催化剂中的活性组分是载于载体上的,如镍-硅藻土催化剂中的硅藻土即为载体。在有些工业催化剂配方中，还需要加入具有其他作用的组分，如在固体催化剂中加入提高机械强度用的粘结剂。


分类按来源可分为生物催化剂和非生物催化剂。后者是目前大多数的工业催化剂，它们都是由人工合成的，是具有特定组成和结构的制品，多数固体催化剂还具有特定的形状。工业催化剂有两种分类法（见表）：①按材质分类。由于活性组分为催化剂的关键组分，可按活性组分的化合状态将固体催化剂材料分类，目前主要有金属催化剂、金属氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸碱催化剂和络合催化剂等。②按功能分类。按所催化的反应过程来分类，例如用于加氢的催化剂称为加氢催化剂。此外，还有按使用领域分类的，例如石油化工催化剂、石油炼制催化剂、无机化工催化剂、环境保护催化剂等。

除直接促进化学反应的催化剂外，还有一类称相转移催化剂，具有加速不同相间物质传递的功能。在分为两相的液相反应中利用相转移催化剂可缩短反应时间，它们多数为季铵盐。例如在从甲酚和氧氯化磷合成甲酚磷酸酯时可用氯化十六烷基·甲基铵作为相转移催化剂。

由于催化剂对反应有严格的选择性，催化剂的应用有很强的专一性。对于催化剂的作用机理已进行了许多研究,有
助于对催化剂的选择。催化剂的作用机理可分三类。①离子型反应机理。可从广义的酸、碱概念来理解催化剂的作用，所用的催化剂多数为酸、碱、盐类，如氧化铝，硅酸铝等。多数为非过渡元素的化合物，具有催化裂化、异构化、烷基化、水合、脱水等反应的功能。②自由基型反应机理。催化剂与反应物间因氧化-还原作用而使后者活化,在反应过程中涉及催化剂元素的价态变化，所用催化剂的材质多数为金属、金属氧化物、金属硫化物，如

镍、铂、氧化钒、氧化铬、硫化钼等。它们多数是过渡元素及其化合物，具有催化加氢、脱氢、氧化等反应的功能。③络合反应机理。催化剂与反应物发生配位作用而使后者活化，所用的催化剂称络合催化剂。
　　
选择催化剂的另一途径是选用具有同类功能的已知催化剂，例如已知镍为乙烯加氢催化剂，可以试用作丙烯的加氢催化剂。但由于反应的差异和催化剂的专一性，必须用实验加以验证。
　　
有些化学过程的结果，是几种不同反应机理的反应总和，要求几种催化活性组分加以配合，以具有多种功能，称多功能催化剂。例如催化重整所用催化剂中的铂对加氢、脱氢有催化功能，氧化铝对异构化有催化功能。
　　
在选择催化剂时还必须注意：催化剂的性能不仅取决于其活性组分，而且是各种成分的性质及其相互影响的总和，此外还必须考虑其对反应装置、反应工艺的适应性。

人们利用催化剂，可以提高化学反应的速度，这被称为催化反应。大多数催化剂都只能加速某一种化学反应，或者某一类化学反应，而不能被用来加速所有的化学反应。催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中被分离出来。不过，它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗，然后在整个反应结束之前又重新产生。

使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫，常用五氧化二钒作正催化剂，这种催化剂是固体，反应物为气体，形成多相的催化作用，因此，五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；

食用油脂里加入0.01%～0.02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。

目前，对催化剂的作用还没有完全弄清楚。在大多数情况下，人们认为催化剂本身和反应物一起参加了化学反应，降低了反应所需要的活化能。有些催化反应是由于形成了很容易分解的“中间产物”，分解时催化剂恢复了原来的化学组成，原反应物就变成了生成物。有些催化反应是由于吸附作用，吸附作用仅能在催化剂表面最活泼的区域(叫做活性中心)进行。活性中心的区域越大或越多，催化剂的活性就越强。反应物里如有杂质，可能使催化剂的活性减弱或失去，这种现象叫做催化剂的中毒。

催化剂对化学反应速率的影响非常大，有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。催化剂一般具有选择性，它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行。例如，加热时，甲酸发生分解反应，一半进行脱水，一半进行脱氢：

HCOOH=H2O+CO

HCOOH=H2+CO2

如果用固体Al2O3作催化剂，则只有脱水反应发生；如果用固体ZnO作催化剂，则脱氢反应单独进行。这种现象说明，不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程。因此，我们利用催化剂的选择性，可使化学反应主要向某一方向进行。

在催化反应里，人们往往加入催化剂以外的另一物质，以增强催化剂的催化作用，这种物质叫做助催化剂。助催化剂在化学工业上极为重要。例如，在合成氨的铁催化剂里加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂，可以大大提高催化剂的催化作用。

催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位，现在几乎有半数以上的化工产品，在生产过程里都采用催化剂。例如，合成氨生产采用铁催化剂，硫酸生产采用钒催化剂，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中，都采用不同的催化剂。

酶，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质，旧称酵素。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。酶的催化作用同样具有选择性。例如，淀粉酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖，蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。酶在生理学、医学、农业、工业等方面，都有重大意义。目前，酶制剂的应用日益广泛。