重現(xiàn)化學

美麗科學與中國化學會合作項目重現(xiàn)化學 | 《催化》
發(fā)布時間：2019年11月14日來源：中國化學會

△ 《重現(xiàn)化學 | 催化》

影片中展示了五種催化過程，分別是氧化鉻催化氨氣氧化，銅催化丙酮氧化，軟錳礦催化雙氧水分解，以及糖水和面團的發(fā)酵過程。

圖片欣賞

△ 氧化鉻催化氨氣氧化

△ 銅催化丙酮氧化

△ 軟錳礦催化雙氧水分解

△ 糖水發(fā)酵

△ 面團發(fā)酵

關于催化

一些化學反應在催化劑的作用下，反應速率發(fā)生改變，而催化劑本身在反應過程中不被消耗。例如，雙氧水在常溫常壓下可以發(fā)生分解，但反應速率很慢，幾乎無法察覺。但在二氧化錳催化劑的作用下，過氧化氫可以快速分解，產(chǎn)生大量氧氣氣泡，而二氧化錳本身并沒有被消耗。很多催化劑類似二氧化錳，可以提高反應速率，是正催化劑；但也有一些催化劑是負催化劑，也叫抑制劑，可以減緩反應速率。

回顧歷史，人類對催化的應用最早可追溯到幾千年前的釀酒工藝。釀酒過程是對生物催化的應用，其催化劑是細胞內(nèi)的各種酶。生命體內(nèi)發(fā)生的化學反應大部分都是催化反應：在酶的協(xié)助下，這些反應可以在相對溫和的條件下進行，把食物轉(zhuǎn)化為能量和構建身體的營養(yǎng)物質(zhì)。

1817年英國化學家戴維發(fā)現(xiàn)，煤氣和空氣會在高溫的鉑絲表面反應，雖然不產(chǎn)生火焰，但這個反應發(fā)出的熱量可以維持鉑絲的紅熱狀態(tài)。隨后，德國化學家德貝賴納發(fā)現(xiàn)在常溫常壓下，氫氣和氧氣可以在海綿鉑表面反應，并放出大量的熱。利用這一原理，德貝賴納在1823年發(fā)明了在當時廣為流傳的點火裝置。1835年，瑞典化學家貝采利烏斯系統(tǒng)地分析了同時代眾多實驗發(fā)現(xiàn)與科學討論，第一次提出了“催化”（catalysis）這一學術概念。

對于現(xiàn)代社會，催化的意義不容小視：有大約80%的化工過程都需要使用催化劑；也正是因為催化，我們才能夠生產(chǎn)足夠的化肥、燃料、化工原料以及生活材料（如塑料），支撐現(xiàn)代社會的發(fā)展。與此同時，我們也需要在催化研究領域取得新的突破，以解決在食品、能源、環(huán)境、氣候等方面人類面臨的危機。比如，全球每年的塑料產(chǎn)量已經(jīng)超過1.5億噸。但在塑料給我們帶來諸多方便的同時，我們無法忽略一個令人震驚的事實：絕大多數(shù)塑料在使用后都無法回收，大部分塑料的最終命運是被掩埋，很多也會進入海洋，對陸地和海洋都會造成污染。對此，科學家正在研究可以把塑料（高分子材料）轉(zhuǎn)換為單體（構建高分子的小分子原料）的催化劑，希望實現(xiàn)塑料的高效化學回收，減少塑料造成的環(huán)境污染。

深入探索

催化劑究竟如何加速化學反應？這個問題比較復雜，我們舉兩個例子做簡單的說明：

一些催化劑會直接參與化學反應，轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物繼續(xù)參與反應，被轉(zhuǎn)化為原始催化劑，這個過程會循環(huán)進行。比如銅催化丙酮的反應，銅和氧氣首先生成黑色的氧化銅，隨后氧化銅被丙酮還原，又轉(zhuǎn)化為銅，這個循環(huán)過程可以在影片和下面動圖中看到。其中銅表面彩色是因為氧化銅薄膜的厚度導致光的干涉，與下雨天地面油膜的顏色是相同的原理。

△ 銅絲催化丙酮氧化過程中的顏色變化

另外反應物可以吸附在催化劑表面，一些反應物甚至可以解離成更活潑的原子狀態(tài)，使化學反應更容易進行。例如常溫下，氫氣和氧氣不發(fā)生化學反應。但當氫氣和氧氣分子吸附在金屬鉑表面時，會被解離成氫原子和氧原子。氧原子先與一個氫結(jié)合形成過渡態(tài)羥基，隨后再結(jié)合一個氫，從而形成水。