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,其催化劑是細胞內的各種酶。生命體內發(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,把食物轉化為能量和構建身體的營養(yǎng)物質。

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,轉化為中間產(chǎn)物,中間產(chǎn)物繼續(xù)參與反應,被轉化為原始催化劑,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合形成過渡態(tài)羥基,隨后再結合一個氫,從而形成水。

 

 

△金屬鉑催化氫氣和氧氣反應原理。上圖中黑色小球代表鉑原子,紅色和白色小球分別代表氧原子和氫原子。動圖來自美麗科學《德貝賴納點火器》動畫,即將發(fā)表。

 


影片幕后

《催化》的制作周期很長,有近兩年時間。2017年底我們與瑞典諾貝爾博物館合作,為他們在迪拜的一個名為《連接元素 Connect Elements》化學展覽提供化學反應視頻,影片中氧化鉻催化氨氣氧化和發(fā)酵過程就是在這期間拍攝的。

項目結束后,我們一直希望能做一個關于催化的完整影片。但因為其他拍攝任務,直到今年11月這個愿望終于實現(xiàn)。 《催化》也是重現(xiàn)化學系列的第21個影片。 

  

 

 

攝影/文字:梁琰

分子動畫:石千慧

 

 

 

 

重現(xiàn)化學是美麗科學和中國化學會的合作項目,也是2019年度科普中國孵化支持項目。

 

 

 

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