不得不做的表面文章——催化剂的工作原理.doc

不得不做的“表面文章”绍兴一中分校吴文中德国科学家格哈德埃特尔在表面化学领域取得了杰出成就，做出了扎扎实实的“表面文章”。他不仅开创了表面化学的方法论，更造就了许多惠及人类日常生活的应用成果。瑞典皇家科学院2007年10月10日宣布，将今年的诺贝尔化学奖授予格哈德埃特尔，以表彰他在“固体表面的化学过程”研究中取得的成果。 人们在寻找制备反应的催化剂方面苦无收获，而埃特尔的研究发现，氨的合成反应在铁催化剂表面进行时效率大大提高，使这一技术的产业化成为现实，这给人类社会的农业生产带来了巨大的经济效益。 汽车排放出的尾气中含有大量一氧化碳，如果不加净化则会对人类生活造成危害。埃特尔有关一氧化碳在金属铂表面的氧化过程的研究，催生了汽车尾气净化装置。 在化学反应里能够改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂(又叫触媒)。 1.“改变”有双重含义，即“加快”或“减慢”。有的同学认为催化剂的作用就是加快化学反应的速率。实际上，催化剂也有正负之分，正催化剂能加快化学反应的速率，如人体中的酶可加快食物的消化等;而负催化剂能减慢化学反应的速率，如橡胶制品中的防老剂等。 2.“化学性质”和“质量”在反应前后都没有变化，说明催化剂在化学反应前后本身的化学性质和质量一定保持不变，但物理性质有可能发生变化。因此，不能说成催化剂本身的性质在反应前后没有变化。 3.由于催化剂只能改变化学反应速率，因此催化剂不能增大生成物的质量。生成物的质量只取决于反应物的质量多少。 4.催化剂具有选择性，即一种催化剂只能对某个或某类化学反应有催化作用，并非对所有化学反应都有催化作用。但一个化学反应的催化剂可能有多种，如用过氧化氢制取氧气的反应中，除了用二氧化锰做催化剂之外，还可以用氧化铜、氧化铁等作催化剂。建筑上用的水泥、红砖粉末等也对过氧化氢分解有催化作用。 5.虽然催化剂是反应条件，但它不同于“点燃”、“加热”等反应条件，能决定化学反应的发生，因此催化剂只能改变化学反应速率，不能决定化学反应是否发生。如没有二氧化锰做催化剂，双氧水在通常情况下也会放出氧气，只不过反应速率缓慢。 6、高中阶段一般不说负催化剂，也就是一般都是加快化学反应速率的。 7、用“活化能”理论可以解释为什么使用催化剂能加快化学反应速率，反应历程的改变，实际上就是改变了整个反应的活化能，整个过程的反应快慢取决于最慢的那一步。（水桶原理）一过渡金属类的氧化物或单质作催化剂 常见的催化剂分别有：铁和氧化铁、铜和氧化铜、银和氧化银、五氧化二钒、金属镍、钯铑合金、二氧化锰等等。起催化作用的原理比较复杂就不再多说。 1、工业合成氨催化剂是铁触媒 2、工业合成硫酸接触氧化的催化剂是V2O5 3、KClO3、催化剂通常是MnO2（当然也可以用氧化铜和氧化铁作催化剂的） 4、H2O2分解通常是MnO2（当然也可以用氧化铜、氧化铁、氯化铁、氯化亚铁溶液作催化剂的） 5、氨的催化氧化也要催化剂（钯铑合金） 6、醇的催化氧化的催化剂是（单质Cu,Ag） 7、苯环上的取代反应用铁作催化剂(实际起催化作用的FeX3) 8、烯烃、炔烃、醛、酮等加氢的加成反应催化剂一般是Pt,Ni二硫酸作催化剂 1、乙醇脱水制乙烯催化剂（分子内脱水用浓硫酸作催化剂，使用五氧化二磷做催化剂道理也相同） 2、酯化反应（酸和醇之间脱水用浓硫酸作催化剂当然可以使用相应的酸酐作催化剂） 3、乙醇分子间脱水得到乙醚（分子间脱水用浓硫酸作催化剂） 4、硝基苯、TNT的制备（硝酸和苯用浓硫酸作催化剂） 5、酯的水解（用稀硫酸作催化剂，化学平衡移动的要求） 6、淀粉、纤维素、蛋白质水解 7、阿司匹林的制备（使用乙酸酐道理和使用浓硫酸一样） 8、二糖（蔗糖、麦芽糖）的水解（使用硫酸作催化剂）三氧化铝作催化剂 氧化铝的催化作用主要是表面化学问题，应该属于接触性的催化作用，增加熵的一些情况。教材中乙醇脱水得到乙烯，笔者以为是不恰当的，因为氧化铝作催化剂使乙醇分子内脱水是在气相条件下进行的，应该和工业上制备硫酸中的接触室类似的工作原理。 石蜡裂化得到石油也可以用氧化铝作催化剂，这里做的都是表面文章。 其工作原理和氧化钛（TiO2）作催化剂原理类似，它们也都是两性氧化物。四酶的催化作用 过氧化氢酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，伤口上用双氧水消毒就会产生气泡就是这个原因。土豆、动物血中都含有过氧化氢酶，是一种生物催化剂，具有高效性、专一性，但在高温条件下就会失去活性（蛋白质变性，酶是一种蛋白质）五、催化剂工作原理（部分）1、双氧水用氯化铁或用氯化亚铁溶液作催化剂的工作原理反应：2Fe2+ +2H+ +H2O2=2Fe3+ +2H2O反应：2Fe3+ + H2O2 =2Fe2+O2 + 2 H+ 显然，许多催化剂都是参加化学反应的，只是反应前后这些物质重新回来了，它们只是改变了反应的历程，但不改变反应的结果。2、乙醇和氧气反应（铜作催化剂）反应2Cu + O2 =加热= 2CuO反应C2H5OH+CuO=加热=CH3CHO+H2O+Cu 思考：用银作催化剂更好吗？为什么？能用氧化钙作催化剂吗？为什么？从中你可以得出什么结论？3、臭氧层破坏原理氟氯烃CCl2F2在高空中可电离出氯原子氯原子与臭氧反应-Cl+O3=-ClO+O2 氯氧进一步与臭氧反应-ClO+O3=-Cl+2O2 将反应叠加，消去氯原子得 2O3=3O2 (氯原子作催化剂)4、铜和硫酸不能反应，但首先在反应体系中加入少量硝酸钾，之后不断通入氧气，则可以很好发生，最后可以得到硫酸铜。总反应