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[新月文摘]

有趣的催化剂:之二——催化剂是怎样“工作”的?

作者:rabyan          录入于 October 25, 2011 at 00:04:36:
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早在20世纪初期,面对大量客观存在的催化现象和催化反应,科学家们认识到,深入地研究催化现象以及催化过程的原理,并由此研制出更多高效的催化剂,对于化学工业的发展和化学科学的进步,具有十分重要的积极意义。

一、催化剂是怎样“工作”的?

在发现了催化剂的神奇作用后,科学家们就一直致力于对催化作用的原理进行研究。对催化作用实质的认识,不仅有助于人们完善催化理论,更重要的是在实践中帮助人们寻找更高效率、更廉价、更易获得或制得的催化剂,改进、改善许多化学工业生产过程。

催化反应的原理,也就是关于催化剂是怎样“工作”的,是一个比较复杂的问题,甚至有些疑问目前还没有完全弄清楚,或者是科学家尚未达成共同的认识。

当然,这并不意味着催化反应是不可认识的。要讨论催化剂的“工作原理”,我们还得先来初步认识一下物质的构成和物质的化学变化。

科学家们研究发现,世界上的物质都是由极其微小的微粒——原子、分子、离子等构成的。正是这些微粒构成了我们这个物质世界。构成物质世界的微粒是在不停运动着的,即使是外表看起来静止的东西,如平稳放置在桌面上的一杯水,其构成微粒——水分子,也是在不停运动着的。英国科学家布朗曾做过一个著名的布朗运动实验,实验中观察到:悬浮在水面上的花粉等小颗粒在不停地做着无规律的运动,人们把它称为布朗运动,它直观地说明水分子在不停地做着无规律的运动。

科学家们经过长期的研究发现,各种不同的化学反应的速度是不相同的。有些化学反应的速度很快,在一瞬间就能完成,例如炸药的爆炸:炸药在点燃瞬间急速燃烧,在极短的时间内,相对封闭的空间里产生大量气体,导致了爆炸的发生。爆炸反应的速度是相当快的。而有些化学反应速度却很慢,如前面讲的合成氨反应,即使在高温高压下,这一反应也是进行得极其缓慢的。那么,究竟是什么导致了化学反应速度的差异呢?

在彻底弄清这个问题之前,你还得耐心听我讲一个故事,这是一个现代版的“愚公移山”的故事。

有一个偏僻的村庄,住着几百户人家。村庄被崇山峻岭所包围,只有一条山路可以通往村外。由于走这条山路要翻过一座极高的山峰,因此一直以来,村子里只有那些年富力强、身体素质很好的年轻人才能出村去。一天,村子里一个名为“愚公”(很巧,他也叫愚公)的老人说:“村子里的老人、小孩都无法翻过那座山峰,这样下去可不行,我得想办法让更多的人能出村去。”愚公的邻居听说了,跑来劝他:“你别傻了,你难道还想像那个‘愚公’一样把山挖平吗?这太不现实了!”“愚公”笑笑,回答道:“与其在这里灰心丧气地发牢骚,还不如切切实实地想些办法。挖山显然不行,不过,我相信挖一条山路总是可以的。”于是,愚公带领着家人,在村子西头一座相对较低的山上开挖山路。工夫不负有心人,几个月后,山路终于开挖完成。从此,村里的村民不必再翻越那座对多数人而言高不可及的山峰,而只需顺山路走过那座较低的山就能出村,而由此,更多的体力不那么好的村民也能得以出村。鉴于他为村民们作出的伟大功绩,“愚公”被大家称为“当代愚公”。

这个“当代愚公”的办法,与催化剂为什么能够加快化学反应速度的原理其实是类似的。

科学家们认为,化学反应得以进行的先决条件是反应物分子间必须发生碰撞。不过,并不是反应物分子间的每一次碰撞都会发生化学反应,事实上,一般情况下只有少数的碰撞会导致反应的发生,而更多数的碰撞并不发生反应,是无效的。科学家们把能发生反应的碰撞称之为有效碰撞。能发生有效碰撞的分子的能量要比一般分子的能量高。这些能量较高的、碰撞时能发生化学反应的分子称为活化分子,就好比那些原先就能翻越高山而出村的年轻人。科学家们研究发现,在一定温度下,活化分子百分数越大(即所有分子中活化分子所占的比例越大),化学反应的速度就越大,化学反应就进行得快。反之,活化分子百分数越小(即所有分子中活化分子所占的比例越小),化学反应的速度就越小,化学反应就进行得慢。

活化分子的能量高于非活化分子,科学家们把活化分子的平均能量与所有分子的平均能量的差值,称为活化能。由此我们可以想见,在一定温度下,如果一个化学反应的活化能越大,则意味着活化分子百分数就越小(设想,如果山越高的话,那么翻越过这座山所需花费的精力和体力就越大,很显然,能翻越过山的人就越少),其结果是这个化学反应的速度就越小。反之亦然。

要加快化学反应速度,很显然必须要增大活化分子百分数,最常用的办法之一是升高温度。温度升高后,分子具有的平均能量增大了(温度越高微粒运动速度越快),使得更多的分子能越过“分界线”而成为“活化分子”,于是活化分子百分数增大了。这就是为什么升高温度能增大化学反应速度的原因。(这就相当于给村民进行身体素质训练,使得村民们具有更充沛的体能,于是更多的村民能越过高山)

要增大活化分子百分数,除了升高温度以外,还有其他办法吗?你不必绞尽脑汁,因为“愚公”已经找到了解决办法。在一个化学反应中,使用了催化剂后,能有效地降低化学反应的活化能,从而增大活化分子百分数,显著地加快了化学反应的速度。(这就相当于愚公的“另辟蹊径”,开掘了一条从较低山上通过的山路,于是更多体能较差的人也能翻越而过)

所以,我们不难发现,催化剂使化学反应速度加快的根本原因是催化剂能降低化学反应的活化能,增大活化分子百分数,最终实现化学反应速度的增大。

其实,类似的例子在我们生活中比比皆是。在一次期中考试中,班级里大部分同学都不及格,只有少数平时学习成绩优异的学生才考及格。那么,在期末考试时,要想让更多的同学能够考及格(类似于增大活化分子百分数),一个办法是通过大量补习和复习,使学生们对知识掌握的水平能够提高(类似于升高温度),从而更多的人能顺利通过考试;另一个办法则更简单,只要期末考试试卷出得简单些就行了(类似于使用催化剂后降低了化学反应的活化能),这样也能保证更多的学生能考及格。你看,催化反应并不神秘,其实,很多科学现象所蕴涵的科学道理和知识,是和我们生活中的许多经验和常识相通的。

你看,关于催化作用原理的问题,就这样被“破解”了。其实,催化作用的原理,是由许多科学家经过异常艰苦的研究,在总结大量事实经验的基础上形成的。得益于前人的工作,我们今天能深入地理解催化原理;而关于催化原理中一些尚未研究透彻的问题,还有赖于科学家们更深入的研究。

二、掀起你的盖头来:催化剂有哪些特点?

世间万物都是这样,“外行看热闹,内行看门道”,而看似神秘的催化作用,其“本质”一旦被看穿,就如同玄妙的魔术被揭秘一样,成为了“众人皆知的秘密”。在对催化原理的研究过程中,科学家们对催化剂所具有的特性进行了科学的归纳,总结出了催化剂的一些特性。对催化作用本质及催化剂特性的深入认识,有助于科学家们从原先“瞎猫碰死耗子”似地试验催化剂,逐步变为有目的、有意识地寻找、研制各种新型、高效的催化剂。

那么,催化剂究竟具有哪些特性呢?

特定的催化剂只对特定的化学反应有效,这常被称为催化剂的“选择性”。当然,这种选择也是一种“双向选择”。这就意味着,并不存在一种催化剂,能够催化一切的化学反应。一般情况下,某种催化剂只对特定的某个或某类化学反应具有催化作用。同时,也不存在一个化学反应,所有催化剂都能对其有催化作用。一般而言,某个化学反应,能够对其具有催化作用的物质并不会很多,而且催化效率也有差异。借用一个术语,催化剂并不具有“广谱性”。

在化工生产中,经常会有这样的情况,原料在反应条件下可能发生多个化学反应、产生多种产物,其中一般只有一个反应是人们希望发生的(常称为主反应),其产物(常称为主产物)是人们需要制取得到的;而另外一些反应,人们并不希望其发生,因为这些反应不仅浪费了原料,而且反应的产物混杂在主产物中,使得产物的纯度降低。化工生产上常把这些伴随着主反应发生的反应称为副反应,把副反应的产物称为副产物。如何减少副反应的发生,减少生成副产物的量,是几乎每一个化工生产反应都要考虑的问题。在这方面,催化剂的“选择性”有着重要的作用。因此,在化工生产中,科学家们常常会利用催化剂对反应的选择性,使用特定的催化剂,“选择”主反应而排斥其他副反应,使得主反应加速,从而得到较多的主产物,减少其他副反应和副产物。例如乙醇在高温时可发生脱氢反应变成乙醛,也可发生脱水反应变成乙烯,银催化剂能催化前一个反应,而氧化铝催化剂则能催化后一个反应。很显然,工业上用乙醇脱氢制乙醛,应该使用银催化剂,这能最大限度地减少产物中副产物乙烯的量,而如果不慎选用了氧化铝催化剂,那结果只能是适得其反。

催化剂要在特定的条件下才能发挥其最佳效果。夏天天气炎热,我们会觉得懒洋洋的,学习、工作起来无精打采的;冬天天气寒冷,人冻得瑟瑟发抖,肯定也会影响学习、工作的状态。适宜的温度,是我们学习和工作高效率的保证。其实,催化剂和人一样,也需要有一个最佳的工作条件。例如合成氨使用的铁催化剂,其最佳工作温度为500℃左右,在这个温度下,它的催化能力是最强的。正基于此,工业上合成氨的温度通常控制在500℃左右。当然,不同的催化剂所需的最佳温度并不相同,合成氨的铁催化剂需要在500℃左右使用,而有些催化剂在500℃可能早就因为高温而失活了。所以,应根据催化剂的本性选择最适宜的反应条件,而不能“依样画葫芦”。

工业催化剂通常还需要一定的载体和助催化剂。俗话说得好:一个篱笆三根桩,一个好汉三个帮。催化剂也是如此。一种工业催化剂要达到优异的催化性能,光有活性物质是不够的。通常情况下,工业催化剂里除了起核心作用的催化活性物质外,还可能包含载体和助催化剂。为了更好地实现催化剂催化效果,除了活性物质外,科学家们在催化剂里加入另外的一种或几种物质,来增强催化剂的催化作用,所加入的物质称为助催化剂。例如,在合成氨的铁催化剂里加入少量的氧化铝和氧化钾作为助催化剂,可以大大提高催化剂的催化能力。

助催化剂的作用非常有趣,也非常有用。助催化剂本身不具有催化活性,也就是说,单独使用助催化剂是不会产生任何催化效果的,但助催化剂能“协同”催化剂更加出色地完成“催化任务”。而载体也是一样。载体本身一般并不具有催化活性,但载体可以支持活性物质,即“给活性物质安个家”,通过载体,不仅可以使催化剂具有合适于工业生产的形状、尺寸大小和机械强度,同时也能使活性物质均匀地分散在载体表面,更有利于催化剂与反应物充分接触,提高催化效率。应该说,催化剂的载体真正地体现了“为她人做嫁衣裳”的“高尚风格”。常用的载体有氧化铝载体、硅胶载体、活性炭载体、硅藻土载体等,还有新型的分子筛载体等。比如前面讲到的工业制硫酸的重要反应——二氧化硫催化氧化成三氧化硫,其催化剂是五氧化二矾,通常以硅藻土为载体,以硫酸钾等碱金属的硫酸盐作为助催化剂,这样才能获得最佳的催化效果。

工业催化剂的使用和更新为现代工业生产的迅猛发展提供了动力和保障,但也有人打着催化剂的“幌子”招摇撞骗呢,不信,你看下去就知道了。

三、催化剂并不万能:揭穿“水变油”的骗局

我们生活在一个科技昌明的时代,但不可否认的是,科学技术发展进步的历程并非一帆风顺。这期间,人们曾有过许多错误的理论、观点以及不切实际的想法。这其中有很多理论在当时被许多人所接受,也有许多科学家曾孜孜不倦地追求以实现这些“空想”。例如,化学上曾有过著名的“燃素说”,当时的科学家认为物质能够燃烧是因为其中含有一种称为“燃素”的物质,物质燃烧后燃素损失,剩下的灰烬由于不含燃素而无法燃烧。这一观点曾长期统治化学界。当然我们现在都知道,燃烧一般是可燃物在氧气的存在下,达到一定温度后发生的反应,可燃物中并不存在什么虚无缥缈的“燃素”。

同样著名的还有“永动机”的研制。历史上曾有不少人有过这样美好的愿望,制造出一种不需要任何动力就能运行,可以源源不断地对外界做功的机器。一旦这种机器研制成功,人们就不必为能源紧缺而犯愁,可以无中生有地创造出巨大的财富。正是基于这种巨大的诱惑,无数科学家为之努力,有人甚至为之付出了毕生的心血,却都以失败而告终。在科学的历史上,对永动机的研制从没有成功过。能量转化和守恒定律的发现,使人们认识到:能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,只能从一种形式转化成另一种形式(例如电热器把电能转化成热能),或者从一个物体转移到另一个物体,在转化和转移过程中能量的总和不变。能量转化和守恒定律证明了只能使能量从一种形式转化为另一种形式,而不能无中生有地制造能量。因此,永动机是根本不能能制造出来的。

当然,我们无须回避科学道路上的种种坎坷,也无权苛责那些曾作出错误论断的科学家们。毕竟,他们失败的经验是后人成功的基石。不过,如果现在还有人在鼓吹自己已研制成功永动机之类的话,那么,这个人不是没有头脑,就是别有用心。类似的事件我们还听过,这就是“水变油”。

“水变油”不是什么新鲜事了,自从汽油被广泛地用作汽车等交通工具的燃料后,“水变油”便成了一个热门的话题。汽油来自于石油,要得到汽油,除了石油的开采和运输等、还需要经过石油炼制等工业生产,这些都需要一定的成本。而且随着石油资源短缺以及石油价格飙升,汽油的价格也随之水涨船高。水,存在于我们周围,几乎可以认为是取之不尽、用之不竭的。因此,如果能实现将廉价的、来源极其广泛的水变成汽油,就可以彻底摆脱石油资源的限制,并极大地降低汽油的成本,这是多么诱人啊。水与汽油,看起来似乎也有些相似,它们常温下都是液体,而且,它们都含有氢元素(水含有氢元素与氧元素,汽油含有氢元素与碳元素)。于是,怀着美好的憧憬,科学家们开始“上路”了。不过,事与愿违,水变油终未成功。

值得庆幸的是,有许多人明白了“水变油”是不可能的,就此罢手;让人遗憾的是,很多人依然“执迷不悟”,誓将“水变油”进行到底;但更令人痛恨的是,有些人明知“水变油”不可行,但仍鼓吹“水变油”已研制成功,然后通过并不高明的骗术或忽悠别人,或借此出名,或骗钱敛财。这种人令人痛恨,但因为他们常常借助一大堆或许他们自己也不甚明了的高科技术语、专业名词,把假相说得天花乱坠,因此言辞常颇具迷惑性。例如,曾有人声称研制了一种特殊的催化剂,将这种催化剂加入水中,水就能发生反应变成汽油。

你看,“水变油”的过程因为有了催化剂的“帮助”,似乎就变得顺理成章了。“催化剂,那是多么神奇的物质啊,那么多重要的化工生产过程都需要催化剂,区区水变油,有了催化剂自然也不在话下。”由此,许多人就上当了。这些人之所以会上当,归根结底还是对催化剂不够了解,因为催化剂虽然“神奇”,但并不“万能”,催化剂并不能解决一切问题。那么,催化剂的“有所为,有所不为”究竟体现在哪些方面呢?

科学家通过研究,证明了催化剂只能催化实际能够发生的反应,而对于本来就不能发生的反应,催化剂是无能为力的。我们前面了解的合成氨反应、二氧化硫的氧化等反应,都是实际能够发生的反应,只不过在通常的情况下这些反应进行得较为缓慢,难以达到工业规模化生产的需求。催化剂的作用只不过是增大反应的速度,促使这些反应进行得快一些。而对于理论上不能发生的反应,再“神奇”的催化剂也不可能促使其发生。水是氢元素和氧元素的化合物,汽油是一种碳氢化合物,两者的元素组成并不一样。水变成油,是一个在化学上无论如何也推导不出的反应,根本不具有可行性,因此,不管研制出什么样的催化剂,都不可能使水变油反应变成现实。很显然,如果催化剂有了使水变油的奇妙作用的话,那么还会有更多的“水变酒”、“水变奶”、“水变果汁”等催化剂的出现,似乎只要有水,就一切OK了。这显然很可笑。

其实,催化剂的这一特性有着普遍意义。对于某个化学反应,如果本身不具备发生的条件和可能性,那么再“神奇”的催化剂也无法改变这一事实。如果说,是合成氨催化剂的研制成功“催化”了第一次世界大战发生的话,那么,威廉二世统治世界的野心和发动战争念头是战争爆发的核心因素。假想一下,如果威廉二世是一个和平主义者,别说合成氨了,就算是当时德国已经“独家”研制成功核武器,如果没有发动战争的动机,那么这场战争就没有发生的可能性(至少不会由德国率先发动)。催化剂的作用永远只能是“催化”,不能被无限扩大。

如果你现在已经明白了催化剂只能改变反应速度,而无法使实际不存在的、不能发生的反应变为现实的话,那么恭喜你,你已经对催化剂的作用有了最初步的认识。不过,这只是“万里长征第一步”。“道高一尺,魔高一丈”,这不,“水变油”又有了新的“变种”:有人声称,已研制出一种催化剂,能使水源源不断地分解成氢气和氧气,氢气是一种优质、清洁的能源,从某种意义上将,比汽油更具应用前景,因此这不也就实现了“水变油”了吗?很显然,这一说法更具有迷惑性,因为水的确能分解成氢气和氧气,这一反应在化学上是可行的,例如,在水中插入电极通直流电,水就能发生分解生成氢气和氧气。似乎,只要能利用催化剂使水分解反应变得更快、更高效,就完事具备了。

不过很遗憾,这同样也是有问题的,因为,催化剂虽然能改变反应速度,但无法改变化学反应的热效应。我们都知道,化学变化一般伴随着能量的变化,这种能量的变化就是化学反应的热效应。例如,如果有2克氢气完全燃烧(即氢气与氧气发生化学反应),生成18克液态的水,就能释放出约286千焦的热量,这也就是为什么氢气能作为燃料的原因。但这热量并非批凭空产生,在氢气燃烧放热的过程中,一部分化学能转变成了热能而释放出来,所以,总的能量仍然是守恒的。这并不奇怪,也无庸疑义,因为化学反应同样也遵守能量守恒定律。另一方面,科学家通过测算得知,如果有18克水分解生成氢气(2克)和氧气,必然要吸收286千焦的能量。这就意味着,氢气和氧气结合成水放出的能量与把水分解为氢气和氧气所需要的能量是一样多的。

很多家用制氧机的工作原理,就是通过电流电解水得到氢气和氧气,这一过程中消耗了电能,为水分解这个化学反应提供了必须的能量,而且随着反应的不断进行,能量须源源不断地持续地予以提供,一旦无法提供能量(如关闭电源开关或停电),反应就会终止。而科学家经过大量研究实践证明,催化剂无法改变化学反应的热效应,这也就意味着,催化剂虽然能改变反应速度,却无法使反应过程中释放或者吸收的能量的大小发生改变。因此,即使能研制出一种催化剂,可以使水分解成氢气和氧气的速度加快,但这一反应仍必须提供大量的能量才能实现(所须提供的能量理论上与制得的氢气燃烧所能释放的能量相同,但实际上由于损耗,所须提供的能量要相对大得多)。所以说,通过消耗大量的能量分解水制得氢气,再将氢气用作燃料获取能量,这一过程只有在某些特殊的情况下才会这样做,如运载火箭常以液氢作为燃料,这时就需要先制得原料氢(主要是通过电解水),再将原料氢液化成液氢。但算一算成本,谁也不会把这一应用推而广之到千家万户的生活中。而指望不消耗能量或少消耗能量,通过“催化水分解”实现能量的“无中生有”,则无异于缘木求鱼,更加荒唐。不过,水分解制氢气并非完全不可取,在现实的科学研究中,科学家们已研制出特殊的装置,能够利用太阳光将水分解为氢气和氧气(这一过程中消耗的是光能),但这一应用尚处于研究之中,因成本等问题离大规模实际应用还有很大的距离,况且,光解水需要太阳光能,这与“仅利用催化剂就能实现水分解”是有天壤之别的。

看来,无论是“水变油”的始作俑者,还是之后将各种“水变油”的骗术加以“改良”的骗子们,都在费尽心机打着科学的旗号实施“伪科学”。我们也可以想见,在今后,“水变油”还会生出更多的“变种”,也会更具迷惑性。不过不要怕,科学的头脑和扎实的知识,是战胜“伪科学”的有力武器。

看来,从根本上了解、认识催化剂的作用,还是有很重要的意义的。那么,催化剂能帮助我们得到更多的产品吗?如果你脱口而出回答“能”,那么很遗憾,你对催化剂及催化作用特点的认识还存在“盲区”。这个问题很有迷惑性,但答案是明确的:催化剂不能帮助我们得到更多的产品。

这究竟为什么呢?我们就以前面讲过的氮气和氢气合成氨反应为例来加以阐述。合成氨反应的原料是氮气和氢气以体积比1∶3混合的气体。混合气体进入合成塔后,氮气和氢气在高温、加压和铁催化剂的催化作用下反应生成氨。随着反应的进行,氮气和氢气的量因反应被消耗而不断减少,氨的量则不断增加。但当反应进行到一定程度时,氮气和氢气的量将不再减少,而氨的量也将不再增加,这时我们称合成氨这一化学反应达到了“平衡状态”。科学家们经过测定,合成氨化学反应达到“平衡状态”时,合成塔中是氮气、氢气和氨的混合气体,其中氨的量(体积分数)只有不超过20%。实际上,不仅是合成氨,工业生产中的许多化学反应都是无法进行到底的。这就意味着,对这些反应而言,反应物不可能百分之百地转化为产物,反应最终只会达到反应物和产物以一定比例“和平共存”的平衡状态。

对合成氨反应而言,反应的温度和压强都能够改变反应的平衡状态。在不同的温度或不同的压强下,平衡混合物中氨的比例是不同的。但是,催化剂是不能改变合成氨反应的平衡状态。事实上,催化剂不能改变任何一个反应的平衡状态。这意味着:催化剂的加入只能增大反应速度,并不能增加产量(即,催化剂的使用能够增加单位时间内得到产物的量,而并不增加得到产物的总量);而所谓的催化剂的量用得越多,得到的产物就越多的观点则更属无稽之谈。同样,如果一个设备中的合成氨反应已经达到平衡状态,这时候再加入铁催化剂,哪怕加的量再多,也不会对平衡产生任何的影响。所以说,想通过使用催化剂帮助我们得到更多量的产品,这只能是“竹篮打水——一场空”。

现在,你一定认识到了,催化剂虽然很“能”,但并不是万能的。催化剂只能对原本就能够发生的反应起作用,借用一些术语来说,催化剂能够实现的是化学反应的“量变”(即反应速度由快到慢),而不能实现“质变”(即不能使原本无法发生的反应变为可能)。催化剂能够改变化学反应的速度,但不能改变化学反应过程的热效应,化学反应过程中要吸收多少热,会放出多少热,决不会因为使用了催化剂而有增减。催化剂不能改变反应的平衡状态,要想通过加入催化剂而得到更多产物的想法是不切实际的。工业生产中催化剂的使用主要为的是解决反应速度和生产效率的问题。

到这里,我们可以用一个相对比较完善的定义来描述催化剂了——催化剂是一种能够改变化学反应的速度,却不改变化学反应的热效应和平衡状态,本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质。

虽然,催化剂不能实现“水变油”,但催化剂还是有很重要的作用的。在现代化的工业生产中,催化剂扮演着举足轻重的角色,从而成为现代化工业生产的“核心竞争力”。



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