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Chemistry
Chapter 13: Chemical Kinetics
13.11:
催化
催化剂的存在会影响化学反应的率值。 催化剂是一种物质,可以在过程中不消耗而增加反应率值。 从反应机理和能量图表的概念可以理解催化剂在化学反应过程中的作用。
图中所示的图像代表了在催化剂缺失 (红色曲线) 和存在 (蓝色曲线) 的情况下进行的吸热化学过程的反应图。
两条曲线代表相同的整体反应–它们以相同的能量开始和结束。 (在这种情况下,生成物的能量多于反应物。 因此,反应是吸热)。 但是,他们的反应机理有所不同。 未催化的反应通过一步式机理进行 (仅观察到一个过渡状态)。 相比之下,催化反应遵循两步机理 (观察到两个过渡状态) ,激活能量明显较少。 反应途径的这一差异说明了催化剂在提供具有较低启动能量的替代反应机理方面的作用,从而加速反应。
催化反应机理不需要涉及比未催化机理更多的基本步骤。 但是,它必须提供一个替代反应路径,其速率确定步骤更快 (EA或激活能量更低)。
根据催化过程中存在催化剂和反应物的物理状态,催化反应可以归类为均匀或异构。
均相催化
在均相催化中,催化剂与反应物处于相同的相位 – 固体,液体或气体。 在此过程中,催化剂与反应物相互作用,形成一种中间物质,然后通过一个或多个步骤分解另一个反应物或与之作出反应,以再生原催化剂并形成最终的生成物。
均相催化的一个例子是涉及臭氧分解的化学过程,该过程发生在地球的上层大气中。 臭氧是一种相对不稳定的分子,分解成产率二原子氧。 这种分解反应与以下两步式机理一致:
许多物质可以催化臭氧的分解。 例如,据认为,通过以下三步式机理,会发生一氧化氮催化的臭氧分解:
但是,两步未催化机理和三步无催化机理的整体反应相同:
在催化反应中,请注意,在机理的第一步中没有反应物,在最后一步中是生成物。 这是催化剂的另一个特征:尽管它参与化学反应,但它不会被反应所消耗。 此外,在该均相催化中,反应物和催化剂都存在于气态阶段。
异构分析
在异构催化中,催化剂的存在阶段与反应物不同 (通常为固体)。 此类催化剂通常通过提供一个可发生反应的活性表面来发挥作用。 混合催化剂催化的气体和液体相反应发生在催化剂表面,而不是气体或液体相内。
异构催化通常涉及以下过程:
图中所示的图像代表了反应机理,它涉及在固体镍表面上形成乙烷气体 (C2H4 + H2 ⟶ C2H6) 的乙醇和氢气混合催化:
(a) 氢气吸附在镍表面上。 在此过程中,氢键是破损,形成镍氢键。 乙烯还通过分解碳 – 碳 Pi-键和形成镍 – 碳键在镍表面上吸附。 (c) 氢原子在撞击形成乙烷时会扩散到地表并形成新的碳氢键 (C2H6)。 (d) 镍表面的甲烷分子脱粒。
异构催化作用用于工业生产化学生成物,如氨,硝酸,硫酸和甲醇。 在大多数汽油驱动汽车上的催化转化器中也使用了混合型催化剂。
本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第12.7节:催化。
对反应机理和动力学的研究 有助于研究人员优化反应速度。温度或浓度的升高 会加快反应速度,但如果 增加过多,也会导致 分解或副产物。或者,可以向反应混合物中加入一种 能加速反应速度而不被永久改变或消耗 的化学物质。这些物质被称为催化剂,通过改变活化能来影响速率常数。回想一下,活化能越高,反应速度越慢。因此,许多化学反应,如过氧化氢 水溶液的分解,进展缓慢。催化剂的加入通过提供一种 替代反应机制,降低了活化能,而并不影响反应物和产物的 能量状态。催化剂有两种类型:均相催化剂 和非均相催化剂。均相催化剂与反应物 同相存在。例如,将溴化钠添加到过氧化氢 水溶液中,以加速它分解为 气态氧和水的反应。首先,溴离子在酸性介质中与 过氧化氢反应,形成溴水和水的 橙色溶液。接下来,溴水和过氧化氢发生 反应,释放出以无色溶液表示的 溴离子。作为催化剂的特征,溴离子 加速了反应,但未被消耗,也未出现在净平衡方程中。与反应物相比,多相催化剂以不同的 物理状态存在。多相催化的特点是四个 基本步骤—吸附、扩散、反应 和解吸。例如,不饱和乙烯气 加氢制乙烷的反应 是由在木炭上精细分散的钯 来加速的。在这里,催化剂以其固态形式存在,而反应物以气态形式存在。在这个多相催化过程中,乙烯和氢分子吸附在催化剂表面。氢键断裂 使氢原子在催化剂表面 扩散。当扩散的氢原子遇到被吸附的乙烯 分子时,它们发生反应形成饱和乙烷。随后,产物脱附并从金属表面 离开,留下完好无损的催化剂。
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