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[新月文摘]

有趣的催化剂:之一——化学反应的“变速器”

作者:rabyan          录入于 October 24, 2011 at 10:56:03:
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一、因催化剂而爆发的世界大战?

第一次世界大战因催化剂而打响?这话听起来,似乎就和春晚小品里说的 “美国攻打伊拉克,是因为萨达姆偷了布什家的高压锅”一样荒诞。历史课本不是早就告诉我们:历时4年多、波及全世界的第一次世界大战,是帝国主义国家之间为瓜分世界、争夺殖民地和霸权而进行的战争。世界大战与催化剂,听起来风马牛不相及嘛!但这并非空穴来风,第一次世界大战的爆发和进程,与催化剂的确有着紧密的联系。这还得从一个人说起,他就是德国物理化学家、合成氨的发明者——弗里茨·哈伯(Fritz Haber)。

翻开诺贝尔奖获得者的长卷,你一定会马上就找到弗里茨·哈伯。哈伯因在合成氨研究中做出的杰出贡献而获得1918年诺贝尔化学奖。众所周知,诺贝尔科学奖是奖励那些在自然科学研究中对人类做出重大贡献的人。那么,究竟什么是合成氨呢?合成氨对人类又有什么重要的意义呢?

19世纪末,随着世界人口数量的快速增长,对粮食的需求量也日趋增大,怎样在有限的耕地上生产出更多的粮食,成为横亘在人们面前的一个现实的难题。科学家们通过研究发现,给土地施含有氮的肥料(也就是我们通常所说的氮肥),能有效地增加粮食产量。而同时,随着各国军事的发展,对炸药的需求越来越大。在当时,生产炸药需要消耗大量的硝酸(一种含氮的酸)。

说到氮,你一定不会陌生。时刻充斥在你周围的空气中就有它的身影。空气中有78%是氮气,看来,人们不必为生产化肥和炸药的“粮食”而发愁了。但事情并没有这么简单。空气中的氮气非常稳定,是个“老顽固”,很难和其他物质发生反应,自然也就很难变成人们需要的化肥和炸药了。通常只有在打雷闪电的时候,少量氮气才会“羞答答”地和空气中的另一成分——氧气发生反应,生成一氧化氮,再经过一系列的变化变成氮肥,随着雨水落到土壤中(这也就是农谚“雷雨发庄稼”所蕴涵的科学道理)。一年当中,打雷的日子不会很多,“靠天吃饭”不是回事。幸好,自然界中还有大量含氮的矿物,如硝石,这些含氮矿物都能用于工业生产氮肥和火药。因此,在19世纪,出于生产化肥和炸药的大量需求,硝石成为了一种非常紧俏而重要的战略物资。

但老天爷似乎不太公平,因为硝石在世界上的分布并不均衡。南美洲的智利是当时硝石的主要产地,史称智利硝石。而对硝石有巨大需求的欧洲,本身并不出产,只能靠大量的进口。一方面,硝石矿的蕴藏量有限,而需求却在以很快的速度增长;另一方面,对于空气中近乎于取之不尽的氮资源,人们却不能加以利用,这实在是很可惜的事。于是,各国科学家纷纷致力于研究利用空气中的氮气生产氮肥和炸药的方法。而其中最关键的一步,就是使极其不活泼的氮气通过一定的化学方法,变成氮的某种简单化合物。这在工业上称为“人工固氮”,即将空气中“飘忽不定”的氮“固定”下来。合成氨就是最重要的一种人工固氮方法。

作为一名优秀的化学家,哈伯也一直将人工固氮作为自己的一个研究课题。1905年,哈伯在赴美国考察后,回国采用了在高压下放电进行固氮的研究(即模拟闪电时氮气与氧气的反应),实验进行了约一年,但效果不很理想。不过,这点小失败并未使哈伯灰心和放弃。当然,固氮并非只有氮气与氧气反应这“华山一条路”。在参考了其他科学家的经验后,哈伯转而研究氢气和氮气的反应。氢气与氮气反应能生成氨,氨是一种有刺激性气味的气体,是氮的一种重要的化合物。但由于氮气极不活泼的“脾气”,氢气与氮气的反应也很难进行。为了使氢气与氮气能反应,科学家们尝试了大量的方法。但大量的实验研究证实,即使在很高的温度和很大的压强下,氢气与氮气的反应也是极其缓慢的,根本达不到工业生产的要求。打个比方,就好像严重堵塞的水龙头,滴了一天的水还不够一个人喝的。

哈伯意识到,必须寻找到一种物质,能够使氢气与氮气的反应加快速度,使“滴水”的水龙头变成“哗哗流水”的水龙头。终于,在历经无数次失败后,1909年,哈伯在实验室采用600℃、200个大气压和用金属锇作催化剂的条件下,大大提高了合成氨反应的速度。当然,有了催化剂,距离实现工业化生产还有很长的一段路要走。于是,哈伯又同化工专家波施以及其他科研人员一起,对数千种不同配方的催化剂进行实验,终于制得了比锇价格低而催化效率更高的高效铁催化剂;同时解决了如高温氢气对生产设备的腐蚀等一些合成氨实际生产中的技术难题。1911年,德国建成世界上第一座日产30 吨合成氨的工厂,这是人工固氮技术的重大成就,是催化剂在化学研究和化工生产中的胜利。

1914年,第一次世界大战爆发前,德国已经设计建造完成多家合成氨工厂,并投入生产。工厂源源不断地提供着制造化肥和炸药的原料,而且,当时只有德国掌握了合成氨技术!德皇威廉二世认为,只要能源源不断地生产出氨和硝酸,德国的粮食和炸药供应就有保证,即使断了硝石供应也没有问题,这也更加坚定了威廉二世开战的决心。与此同时,已经觉察到德国有发动战争倾向的外国首脑和军事专家,由于不知道德国已经成功地实现了氨的合成,从而轻易地认为只要切断硝石的供应,德国就无法生产炸药!甚至在战争爆发后,他们还简单地认为由于硝石的短缺,大战将很快结束!事实完全相反,而这其中留给后人的教训也是惨痛的。

当然,如果因此而将第一次世界大战爆发的罪恶根源归咎于合成氨和催化剂,归咎于哈伯,则是毫无道理的。这就好像刀可以用来杀人,但造刀的人并非是持刀杀人犯的帮凶。而另一方面,合成氨推动了化肥工业及其他工业的迅猛发展,带给人类的好处也是不可估量的。正因此,1918年,因战争中断2年后恢复评选的诺贝尔化学奖授予了哈伯。哈伯的合作者波施也因在合成氨的工业化中作出的贡献而在1931年获得诺贝尔化学奖。

二、“慢性子”与“急脾气”

现在,你可能已经对催化剂和催化作用有一定的认识了。是的,催化剂就是那些能改变化学反应速度的物质。而催化剂所起的作用就称之为催化作用。在氮气和氢气合成氨的反应中,铁就是催化剂,能加快合成氨反应的速度。

生活中我们经常遇到这样的情况,有的人是急脾气,做起事来风风火火,恨不得一下子把全部事情都做完;有的人则是慢性子,做起事来慢条斯理,经常拖拖拉拉的。不过,当碰到的事情十万火急,已经“火烧眉毛”了,只怕慢性子也会变成急脾气。打个比方,我们可以把这个迫在眉睫的事情看作是一个“催化剂”,它使得原本那些做事“缓慢”的人变得“急速”起来,从而“加快”了办事的速度。危机关头,手无缚鸡之力的人也会变得勇猛异常,这也是一种“催化作用”吧。

催化剂在工业生产中的用途是极其广泛的。除了合成氨外,还有很多工业生产中也要用到催化剂,例如硫酸的生产。硫酸是一种极其重要的工业原料。生产硫酸中有一步重要的反应——二氧化硫氧化生成三氧化硫。二氧化硫氧化成三氧化硫后再用水吸收,就能得到硫酸。二氧化硫的氧化在硫酸工业上称为“催化氧化”,即在一种催化剂(五氧化二矾)的帮助下进行的氧化反应。可想而知,如果没有五氧化二矾的催化作用,那么二氧化硫的氧化将是很缓慢的;五氧化二矾的催化作用能大大提高二氧化硫氧化反应的速度,能在同样的时间里得到更多的三氧化硫,从而提高了单位时间内硫酸的产量。有趣的是,依靠催化剂生产得到的硫酸,其本身也是一种常用的催化剂。

不过,“急脾气”也不一定就比“慢性子”要好。生活中,“急脾气”往往容易心急慌忙,粗枝大叶。化学上也是一样的。有的时候,化学反应的速度太快了也不好。对于某些特定的反应,人们希望它进行得越慢越好,比如钢铁的生锈。钢铁容易生锈而被腐蚀,其实质是铁和空气中的氧气发生了复杂的化学反应。有些钢铁制品用不了多长时间就锈迹斑斑,不仅影响美观,而且会导致钢铁制品变得疏松,失去了原有的机械强度。为此,科学家们想了很多办法防止钢铁被腐蚀,常用的一种方法是加入缓蚀剂,减缓钢铁生锈的速度(注意,这里的作用不是“加快”化学反应的速度,而是“减缓”化学反应的速度)。又比如,橡胶制品在生活中应用很广,但橡胶制品容易老化,老化的橡胶失去了弹性而容易折断。在橡胶制品中加入一些防老化剂,可以减慢橡胶老化反应的速度,使橡胶制品更耐用。日常炒菜等使用的食用油,如果储存不当或放置比较长的时间,就容易发生“酸败”而颜色变深,变得混浊,并产生一种难闻的哈喇味。使用酸败的食用油炒菜,不仅味道变差、营养价值降低,食用后还可能引起恶心、呕吐、腹泻等症状,危害身体健康。如果在食用油里加入少量的没食子酸正丙酯,就可以有效地减缓“酸败”。在这里,没食子酸正丙酯是一种抑制剂,可以减慢油脂“酸败”反应的速度。像缓蚀剂、防老化剂、抑制剂这样一类的物质也属于催化剂,化学上将其称为“负催化剂”。

现在,我们提到的“催化剂”和“催化作用”,一般指的都是使化学反应速度加快;而对于那些使化学反应速度减小的“催化剂”,则通常用“阻化剂”等名称来替代。尤其是在现代大规模工业生产中,使用的催化剂基本上都是为增大反应速度的。

其实,不管是“加快”速度,还是“减缓”速度,都是催化剂的看家本领。如今,无处不在的催化剂融入了人们日常生产、生活的各个方面,成为我们不可缺少的好帮手。

三、从“铂怀炉”取暖说起

冬天天气寒冷,人们常常需要能够提供热量的取暖设备。从原始人披着兽皮生火取暖,到现在空调、取暖器、电手炉等各种各样的取暖设备琳琅满目、应有尽有,取暖设备的发展从一个方面反映了人们生活水平的提高。当然,现在用的取暖设备大多数都是用电的,即将电能转化成热能。电的大规模使用不过一百多年,那么,在电并不普及的年代,人们如何取暖呢?

19世纪时,在欧洲的冬天,小姐和贵妇人们为了出席各种社交活动,常要乘坐马车赶好多路。马车里不像家里,能用壁炉燃煤取暖,而那时也还没有什么电手炉之类的取暖设备。为使她们能在乘车途中不至于受冻,能够随身携带的供取暖用的“铂怀炉”便应运而生。直到今天,仍然有很多人选择用“铂怀炉”在冬天取暖。铂就是白金,是一种贵重的金属,有银白色的光泽,常用于制造各种首饰。但你如果认为用“铂”做怀炉只是为了美观、漂亮、体现身价,那你可就大错特错了。

不知你是否吃过暖锅?冬天,在饭店里吃饭,有些菜是用暖锅盛的,一边吃,一边下面在加热,这样即使吃较长时间菜也不会凉。在暖锅下面用于加热的通常是块状的“固体酒精”,酒精燃烧能提供大量的热量,是一种常用的燃料。在“铂怀炉”中,提供热量的物质也是酒精。“铂怀炉”等于“暖锅”?这可有点可怕,怀里揣着个小火炉,衣服被烧坏不用说,人还不得被烧伤啊!其实你不用害怕,“铂怀炉”其实很安全。在“铂怀炉”中,酒精靠人体的体温缓缓挥发成酒精蒸气,在金属铂的催化作用下,酒精蒸气无须点燃便可以与氧气发生反应,产生热量,而这一氧化过程并不产生火焰,可以称之为“无焰燃烧”。铂能够对酒精的氧化反应起催化作用,这是1820年英国化学家戴维发现的。当然,如果在燃烧着的酒精中插进一根铂丝,由于铂的催化作用,酒精将燃烧得更加剧烈(同样是因为酒精与氧气反应的速度加快了),迅速产生的热量累积起的高温能使铂丝达到炽热的程度,发出很亮的光。想当年,戴维就制作了这样一种铂丝酒精灯,用它来照明。这种灯在欧洲风行了许多年。

在我们的日常生产、生活中,通过催化作用实现的“无焰燃烧”具有十分重要的意义。它提供了一种安全的“燃烧”方式,因为不产生火焰,没有明火,不会因为使用不慎而酿成火灾。同时,它能让燃料在较低温度(甚至是常温)下实现氧化供热。

夏天为了驱赶蚊子,人们常使用电蚊香片。通过电加热,使电蚊香片中的有效成分缓缓释放出来,达到驱蚊的效果。而对于一些无法用电或者用电不方便的地方,专家们设计了一种无焰燃烧加热灭蚊器。这种灭蚊器使用了一种催化剂,通过催化作用,使煤油等燃料在较低的温度下进行无焰燃烧,用无焰燃烧产生的热量加热蚊香片。使用20毫升煤油,加热器便可以持续加热10~12小时,真是既经济又方便。



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