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催化剂与化学工业
朱洪法 (北京化工研究院工程师)
催化剂与化工生产具有密世的关系,在现代化学工业中,约有80%的化学反应都与催化剂的存在有关。有人说:“没有催化剂就不能建立近代化学工业。”
一.催化作用的发现
怎样使乌黑的原油变成更有价值的车用燃料或形形色色的化工产品呢?用什么方法可以使固体硫黄变成液体硫酸呢?能否使各种化学反应进行得更快一些,并按照人们所需要的方向进行呢?这些问题都要由催化作用来解决。
催化作用就是利用一种叫做催化剂的特殊物质人为地使化学反应加速的过程。催化剂的特点之一是,反应前后它们的组成与质量不发生变化。初看起来,这种物质象是“局外物”,但实际上又离不了它,所以很长一个时期人们没有揭穿它的秘密。现在已经知道,催化剂在反应过程中和原料形成一种容易变成生成物的络合物,在反应结束时它又恢复成原状。
人们对催化作用的认识和催化科学的发展源于人类的生产活动。早在古代,我国劳动人民就知道用天然发酵法来制酒,酒是酵母菌发酵的产物,是其中酶催化作用的结果。在18世纪,硫酸是用所谓“铅室法”来制造
的:将硫和硝石(NaNO)一起燃烧所得气体通入底部盛水的铅室中,气体
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就溶在里面成为硫酸。当时化学家认为含氧元素多的硝石的作用,只是将
硫直接氧化成三氧化硫。可是后来发现,通常在铅室过程中用的硝石量并不足以将硫氧化成三氧化硫。假如是硝石直接把硫氧化成三氧化硫,硝石的用量还需增加10倍左右。进一步研究发现,实现这一过程的关键在于硝石煅烧时所生成的进入铅室中的红褐色蒸汽——氮的氧化物。氮的氧化物的数量在反应时实际上并不发生变化。氮的氧化物的催化作用就这样被发现了,但在当时并没有引起注意。
1812年俄国一名科学家发现,将小麦粉和加有微量硫酸的水长时间共热,淀粉会先变成糊精,以后又转化为葡萄糖。引人注意的是,反应结束时,硫酸量一点也没有减少,这就发现了硫酸对这种反应的催化作用。
以后,各种“局外物”影响化学反应进行的现象知道得越来越多,但却得不到满意的解释。直到19世纪初,才对催化作用的原理和本质有了初步认识。1835年瑞典化学家柏齐里乌斯总结了当时的化学成就,明确地提出了催化学说,他把当时发现的某些物质在化学反应中能显著改变反应速率而本身不发生变化的作用称为催化力。催化与催化剂的概念自此开始。
19世纪科学技术有很大发展,加上人口增加要求提高粮食产量,经过半个世纪的研究,建立了采用催化剂的合成氨和硝酸的工业生产,为化肥工业奠定了基础。据说,仅为确定合成氨用的氧化铁催化剂组成这一研究,就进行了几千种试验,筛选了两千多种催化剂。
二次世界大战以后,化工基础原料从煤向石油,石油化工发展异常迅速,现在人们生活上的衣食住行无不与石油化工产品密切相关。石油化工能够获得如此巨大的发展,就是由于催化剂的广泛应用。
二.催化剂的基本性质
催化剂在化学反应中有这么重要的作用,它到底具有哪些基本性质呢?
改变化学反应速率
化学反应速率是指化学反应中物质改变某种状态的速率。许多化学变化并不是把反应物一混合就立刻完成的。为了完成反应,需要经历一定的时间,而且每种反应都有它自己的变化时间。种种化学反应速率的差别也很大,如1kg三硝基甲苯爆炸只需十万分之一秒就完全分解,而古代植物变成烟煤,需要两亿多年的时间。
化学反应中加入少量催化剂就会对反应速率产生很大影响。例如,纯净的氢和氧的混合气体(爆鸣气)在9℃时生成0.15%的水要长达1060亿年的时间。如果在这种混合气体中加入少量铂石棉催化剂,反应就将在几分之一秒的时间内完成。
虽然催化剂对化学反应具有如此巨大的威力,但催化剂并不能使一切物质间发生反应并加速它。因为催化剂只能缩短到达反应平衡的时间,而不能使平衡移动。举例来说,将氮和氢按1∶3物质混合,在500℃和300
×105Pa下,平衡时氨的浓度为27%。这是在这样的条件下理论上氨的浓度所达到的最高值,不论催化剂的活性有多大,也不能使氨的平衡浓度大于这个数值。就是说,催化剂不能使那些在热力学上不可能发生的反应发生。这就告诉我们不要为那些在热力学上不可能实现的反应白白浪费人力去寻找高效的催化剂。而应该根据热力学上的计算,弄清在某种条件下某一反应过程离平衡还有多大距离,然后选择更有利的反应条件并寻找适宜的催化剂。
降低反应的活化能
许多事实告诉我们,由于催化剂的存在,可以使那些不容易进行的反应变得容易进行,也就是说催化剂可以降低反应物质达到反应时所需要的能量。我们知道,分子之间发生反应的前提是分子之间的碰撞,但不是分子的每个碰撞都能引起反应,而是只有那些处于活化状态的分子才能发生反应。所谓活化状态是一种中间状态,它比之反应前后的状态一般是富于
能量的。为了使反应能够进行,就需要对分子进行活化,克服它们的反应惰性
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