催化剂对反应速率的影响

3.2.3　催化剂对反应速率的影响

在实际生产中，为了加快或减慢反应速率，人们通常使用催化剂。催化剂是指能显著改变反应速率，而在化学反应前后自身组成、质量和化学性质基本不变的物质。通常把能加快反应速率的催化剂称为正催化剂，如在H₂和O₂反应时，长时间内观察不到H₂O的生成，但若在该体系中加入少量的铂粉，反应立即发生，铂粉就是正催化剂。把减慢反应速率的催化剂称为负催化剂，如为抑制钢铁表面的腐蚀反应，在表面涂抹六亚甲基四胺(CH₂)₆N₄，便可以降低其腐蚀速率。催化剂在这些反应中所起的作用称为催化作用。一般意义上所指的催化剂是加快反应速率的正催化剂。

催化剂加快反应速率的原因在于它与反应物之间形成一种势能较低的活化配合物，改变了反应机制(途径)，使反应所需的活化能显著降低，因此导致活化分子百分数也增多，有效碰撞次数增多，反应速率加快。

如图3.3所示，反应A+B→AB所需的活化能为E_a，在催化剂K的参与下，反应分两步进行：

A+K→AK

AK+B→AB+K

两步所需的活化能均小于一步反应的活化能，因此反应速率加快。催化剂只是暂时介入反应，改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应易于发生，最终催化剂再生，回到原来的化学状态。

催化剂一般有以下基本特点：

(1)只能对热力学上可能发生的反应起作用，并不能改变反应的焓变、方向和限度，但可以通过与反应物生成中间体，改变反应途径，从而降低反应的活化能，缩短达到平衡的时间。因此，催化剂可以同时增加正向和反向的速率，但其加入并不能增加产物的百分比。

(2)催化剂有选择性(或专一性)，每种催化剂都只能催化某一类或某几类反应，有的甚至只能催化某一种反应，不存在万能的催化剂。

(3)反应前后催化剂化学性质不变，而物理性质有可能发生变化，特别是表面性状会发生变化，故工业生产中使用的催化剂须经常“再生”或补充。

(4)催化剂对少量杂质非常敏感，反应系统中某些少量杂质的存在，往往会严重降低、甚至完全破坏催化剂的活性，这叫做催化剂中毒，这些杂质称为毒物。但有时杂质也可以起助催化作用，称为助催化剂。

催化剂与反应物处在同一相中的催化反应叫做均相催化反应。催化剂与反应物处在不同相中的反应称为多相(或非均相)催化反应。多相催化的催化剂一般是固体，催化反应发生在固体表面，故又称表面催化反应。多相催化与表面积有关，表面积越大，吸附率越高，因而催化剂的表面积大小直接影响到催化效率。

催化反应在化工生产中有广泛的应用，如Fe催化合成氨，Cu催化乙醇的脱氢反应，以及五氧化二钒催化二氧化硫的氧化，从而提高生产硫酸的速度等。据统计，大约有85%的化学工业使用催化剂。

在生命过程中，催化剂也起着重要的作用，生物体进行的各种化学反应，如食物的消化、细胞的形成等几乎都是在酶的催化作用下进行的。酶是蛋白质或复合蛋白质(蛋白质加辅因子)，在生物体内的催化反应称为酶催化反应(enzyme catalysis)。除了具有一般催化剂的特点外，酶催化反应还有催化效率高、反应条件温和、高度特异性等特点。酶的催化效率比非酶催化一般高10⁶～10¹⁰倍。一般化工生产中催化反应的条件通常是高温高压、强酸或强碱，但是酶催化反应在生物体内进行，是在常温常压接近中性的介质条件下进行的，因此反应条件温和。酶催化反应的选择性非常高，这称为酶催化反应的特异性。某些情况下，酶的催化活性甚至只局限于某种特殊类型的分子，如淀粉酶只催化淀粉分解，而膦酸酯的水解需要磷酸酶来催化。酶催化反应中，反应系统的温度和pH值这两个条件非常重要。因为温度过高，会引起酶蛋白变性，而pH值会影响酶蛋白的电荷状态及分子的立体结构，从而破坏酶蛋白的催化活性。