神奇助手催化剂

神奇助手催化剂

100多年前，有个魔术“神杯”的故事:有一天，瑞典化学家贝采利乌斯在化学实验室忙碌地进行着实验，傍晚，他的妻子玛丽亚准备了酒菜宴请亲友，祝贺他的生日。贝采利乌斯沉浸在实验中，把这件事全忘了。直到玛丽亚把他从实验室拉出来，他才恍然大悟，匆忙地赶回家。一进屋，客人们纷纷举杯向他祝贺，他顾不上洗手就接过一杯蜜桃酒一饮而尽。当他自己斟满第二杯酒干杯时，却皱起眉头喊着:“玛丽亚，你怎么把醋拿给我喝!?”玛丽亚和客人都愣住了，仔细瞧着那瓶子，还倒出一杯来大家品尝，一点儿没有错，确实是又甜又香的蜜桃酒呀!

工业生产上使用的各种催化剂

见采利乌斯随手把自己倒的那杯酒递过去，玛丽亚喝了一口，酸得吐了出来，也说:“甜酒怎么一下子变成酸醋啦?”客人们纷纷凑近来，观察着、猜测着这“神杯”发生的怪事。

贝采利乌斯发现，原来酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，手指上沾满了铂黑，这是在实验室研磨白金时给沾上的。他兴奋得把那杯酸酒一饮而尽。原来，把酒变成酸醋的魔力是来源于白金粉末，是它使乙醇(酒精)和空气中的氧气起化学作用，生成了醋酸。后来，人们把这一作用叫做触媒作用，又叫催化作用。希腊语的意思是“解去束缚”。

催化剂是化学中的孙悟空，是化学科学的一员主将。

19世纪末，在德国的一家工厂里，人们正在进行制造蓝靛的实验，需要很多的苯二酸。这种化合物在当时价值昂贵。人们认为，用发烟硫酸同萘作用，一定能制得苯二酸，可是一再试验都没有成功。有一天，化学家正在用萘做一个实验，叫听差取一个温度计来。听差偶然疏忽，把温度计弄破了，落了一点水银到反应的物质里，不料那物质就沸腾起来，很快就形成了大量的苯二酸。谁料到水银正是必需的催化剂，水银像魔术师那样变幻莫测!

20世纪初，催化剂这个魔术师才开始成为人们不可缺少的得力“助手”。化学家们最早用催化剂创造出将空气中的氮和氢气合成氨的奇迹，并实现了合成氨工业化。1926年，人们利用催化剂将一氧化碳加氢成功地合成了人造液体燃料。以后又用催化剂合成了甲醛、乙醛、染料、橡胶等高分子聚合物。一切新的聚合物，都是新发现的催化剂作用下的产物。可以这样说，没有催化剂，就没有现代的化学工业。

催化剂确实是一种很奇妙的物质，它能提高我们所希望的化学反应的速度，抑制不希望的反应发生，而且自身在反应过程中不被消耗，能够反复地使用。因此催化剂对于化学工业中的技术生产过程是一种非常重要的物质，仅从下面这个数字就能使我们知道它具有多么重要的意义:所有化学产品的90%以上，在其生产过程中要涉及到一种催化剂。据统计，现在人类使用的催化剂，至少有100万种。在许多物质的转化过程中，它们简直到了“点石成金”、出神入化的地步，因而创造了一个又一个奇迹:

德国的哈博，用铁作催化剂将大气中的氮和氢转化成氨，使农作物产量得到成倍的增长。

德国的齐格勒和意大利的纳塔，发现烯烃聚合催化剂，使人类进入了高分子时代。

美国孟山都公司用铑作催化剂，由甲醇合成醋酸获得成功，从而改变了过去依靠粮食制醋酸的历史。

南非以煤为原料，经过一系列的催化转化，终于制得了汽油。在咄咄逼人的石油危机声中，开辟出一条以煤制油的新道路。

日本高沙公司用重金属作催化剂，合成出薄荷醇，并且出口量占世界销售量的1/3，从此，薄荷的生产再不只靠大自然了……

据有关资料介绍，现在人类使用的70%的橡胶、90%以上的塑料、50%以上的纤维和油漆、80%的药品和染料等，都是通过化学催化技术制得的。现在，美国化学催化工业的产值占其国民经济总产值的20%以上。

1895年，德国化学家奥斯特瓦尔德给催化剂和催化作用下了个科学的定义:一种在化学反应前后，本身的质量和化学性质都不变，只是改变化学反应速度的物质，叫做“催化剂”。在化学反应中催化剂的特殊作用叫做“催化作用”。于是，铂黑被叫做氢和氧化合的催化剂，而酸被叫做淀粉水解成葡萄糖的催化剂。

不少化学反应需在高温高压下才能进行，但在催化剂的作用下，可以大大降低反应温度和压力，节省大量能源。原来速度很慢很慢的化学反应，在催化剂的作用下，反应速度可提高数百万倍。例如，在常温常压下把氢气和氧气同时放到一个容器里，即使是过1万年也不能化合成水。可是，如果向容器内投掷一颗铂粒，就会发生爆炸，它们剧烈反应变成了水。由此可知，我们现在喝的水大部分是几十万年甚至几千万年的“古水”，而不是刚刚生成的“新水”。这一点对科学家们研究地层年龄和地质结构非常有用。再比如合成顺丁橡胶的单体(原料)丁二烯，是由丁烯氧化脱氢后制得的，十几年前要在300多摄氏度的高温下进行。不久前，我国化学家发现了一种新的催化剂，使这种化学反应在200多度的温度下就完成了。

催化作用被证明在工业上具有头等的重要性。例如，硫酸是一种仅次于空气、水和食盐的重要无机化合物，而制造硫酸的最好方法就是将硫燃烧——先变成二氧化硫(SO₂)，再变成三氧化硫(SO₃)。如果不加入铂黑一类的催化剂的话，从二氧化硫变成三氧化硫这一步就进行得像蜗牛爬行一样慢。镍粉末(在大多数情况下用它来代替铂黑，因为它比较便宜)以及铬、铜、五氧化二钒、三氧化二铁、二氧化锰等化合物也是重要的催化剂。事实上，在工业上一个化学生产过程能否成功，在很大程度上取决于能否找到正好适合有关反应的催化剂。正是由于齐格勒发现了一种新型的催化剂，才使聚合物的生产发生了一场革命。

1972年，美国总统尼克松在周恩来总理陪同下，来到京西燕山的石油化工总厂参观。不巧，那天气压较低，从发电厂里排出的滚滚黄烟铺天盖地，大煞风景，令人扫兴。周总理当即指示，一定要想办法消灭这条严重污染环境的“黄龙”。半年以后，“黄龙”果真被消灭了。方法是让黄烟通过一种含碘的活性炭。

这是什么道理?原来，发电厂冒出的烟之所以呈棕黄色，是因为高硫煤在燃烧时放出大量的二氧化硫。它是一种有害气体，会严重危害人体健康和农作物生长，在含碘的活性炭作用下，二氧化硫会迅速变成三氧化硫，三氧化硫很容易溶于水变成重要工业原料——硫酸。这样一来，除消灭了“黄龙”之外，还可将硫酸与磷灰石(就地取材)作用生产过磷酸钙肥料。据测算，一个2.5万千瓦的发电厂，每小时排放7万立方米废气，以二氧化硫浓度0.35%计算，每年可得到硫酸1.5万吨、磷肥3.8万吨，价值33多万元。土耳其政府从报纸上得知这个消息以后，通过驻华使馆要求购买我们的技术专利。

一种物质尽管有时用量很少，却能引起大量的反应，而自己本身并不发生变化，这是怎么回事呢?

有一类催化剂实际上是参加反应的，但它是以一种循环的方式参加反应的，因此它能够连续不断地恢复到原来的形态。五氧化二钒就是一个例子，它能够催化二氧化硫变为三氧化硫。五氧化二钒把它的一个氧原子递给SO₂，把SO₂变成SO₃，而自身变成四氧化二钒(V₂O₄)。但是四氧化二钒很快与空气中的氧反应。又恢复成V₂O₅。这样五氧化二钒起了一个“中间人”的作用，把一个氧原子递给二氧化硫，从空气中再另取一个，然后再递给二氧化硫，如此循环不已。这个过程进行得非常快，因此，少量的五氧化二钒就足以使大量的二氧化硫发生转变，而最终五氧化二钒看上去并没有改变。

1902年，德国化学家隆哥提出，上述情况可以解释一般的催化作用。1916年，朗缪尔又向前迈进了一步，他对像铂一类物质的催化作用提出了一种解释:这类物质非常不容易起反应，因而不可能指望它们参与一般的化学反应。朗缪尔认为，铂金属表面多余的化学键能够抓住氢分子和氧分子。当氢分子和氧分子被束缚在非常靠近铂的表面时，比起它们作为一般的游离的气态分子更容易化合成水分子。水分子一旦形成，就会被氢分子和氧分子从铂的表面推开。铂捕捉住氢和氧，使氢和氧化合成水，把水释放掉，再捕捉氢和氧，再形成水，这个过程可以无休止地进行下去。

这个过程叫做表面催化作用。自然，一定质量的金属，粉末越细，所能提供的表面积就越大，因而进行催化作用的效率也就越高。当然，如果有任何外来的物质牢固地附着在铂表面，催化剂就会失去功效，这又叫催化剂中毒。

所有的表面催化剂多少都具有选择性或专一性。有些容易吸收氢分子，因而能够催化与氢有关的反应;另一些容易吸收水分子，因而能够催化缩合反应或水解反应;等等。

表面普遍具有能够吸附多层分子的能力(吸附作用)，这种能力除了可以催化以外，还可以有其他用途。制成海绵状的二氧化硅(硅胶)能吸收大量的水，把它放进电子设备里，可以起干燥剂的作用，使湿度降低。在湿度高的情况下，电子设备的性能会受到损害。

还有，研成细粒的木炭(活性炭)很容易吸附有机分子;有机分子越大就越容易被吸附。活性炭可以用来使溶液脱色，因为它能吸附有色的杂质(通常分子量很大)，而留下所需要的物质(通常无色，分子量也比较小)。

活性炭还被用于防毒面具。这个用途英国医生斯坦豪斯早就预示到了，1853年，他首先制成了一个活性炭空气过滤器。空气中的氧和氮通过这种物质时不受影响，但比较大的毒气分子则被吸附。

在大自然中催化剂也起着极其重要的作用，不过它在那儿叫做酶。在物质代谢中酶的作用是优化一定的化学反应，它是有选择性的:从许许多多的供给物中选择某种类型的分子，并将它转化成一定的产品，此外这种极佳的化学反应能在很温和的条件下进行。人工制造的催化剂大多数不具备很强的针对性，在其工作时常常需要相对较高的温度或压力，但尽管如此它对保持化学合成的有效性以及生产成本的合理性起着决定性的作用，许多化学反应只有通过催化剂才能顺利进行。

对此我们来举一个例子:氨(NH₃)由空气中的氮(N₂)和氢(H₂)合成，几十年来全世界采用哈柏－博许法生产了大量的氨，大约有85%的氨还被继续加工成化肥。化学家哈柏研究出了氨的合成法，后由企业家博许发展而转化成大工业化的生产方式，并在1914年由巴斯夫公司采用这一方法生产。这里人们将氮气(空气中)和氢气(水和天然气)的混合物加热至大约500℃的高温，并让它在大约20000千帕的气压下流经含有微量钾、钙、铝等的铁屑催化剂，这时这两种气体按下列反应公式化合成氨:

N₂+3H₂═══2NH₃

在这一反应中催化剂的详细功能很长一段时间无人知晓，只是到了近期，表面化学的专业现代化研究方法才揭示了铁屑催化剂的作用，铁屑催化剂在其表面与氮分子化合，并以这种方法削弱了两个氮原子之间原本非常坚固的链接，这时可通过较少的能量消耗将两个氮原子分开，紧接着，单个氮原子(还与催化剂表面相连)就会很快与氢原子反应，化合成氨。

哈柏-博许法使得德国在第一次世界大战中能大量地生产氨。而氨当时是生产化肥尤其是生产炸药所急需的，因为在战争期间从智利进口硝酸钾(当时是制造火药和肥料必不可少的一种原料)已经中断，如果没有工业化氨合成物的生产，战争也许很快就结束了。但尽管如此，哈柏和博许为化学工业技术的发展所作的贡献具有极其伟大和深远的意义，尤其是在催化剂的生产领域中。

如今在催化剂中最著名的是安装在汽车中的有毒废气清除装置。它能消除汽车废气中有毒的一氧化碳和氮氧化物等，从而对减少“酸雨”起着决定性的作用。其中起催化作用的贵金属层是由铂或铑构成，它将一氧化氮还原成元素氮并同时将一氧化碳氧化成二氧化碳，这里所生成的两种物质都是无害的气体。这一过程正如人们今天所知的那样:有害物附着在金属表面，这时氮氧化物被分解成结构原子;氧原子在催化剂表面上与一氧化碳化合成二氧化碳，余下的氮原子则与另一个氮原子组合成氮分子。

寻找好的催化剂对于化工企业的生产是非常重要的，化学家为了找到好的催化剂，经常是尝试各种各样的样品，老一辈的化学家称之“耕耘周期表”，意思就是说把周期表中的元素都试一下。如今人们积累了很多催化方面的知识，特别对催化反应过程的细节有了更多的了解，这样，催化剂的寻找不再像以前那么盲目，而是有目的地合成特定的化学反应需要的特殊的催化剂。