主要内容
催化剂的种类
什么是催化剂？本章包含了催化酶的例子，酸碱催化和非均相（或表面）催化。
要点
- 催化剂 是一种可以用来增加反应速率，同时自身不在反应中被消耗的物质。
- 催化剂通常通过降低活化能或改变反应机理来加快反应。
- 酶 是一种蛋白质，在生化反应中充当催化剂。
- 常见的催化剂种类包括： 酶, 酸碱催化剂, 和 多相 (或 非均相) 催化剂。
简介: 动力学思想实验
你的大脑是由葡萄糖的氧化驱动的。葡萄糖的氧化可以通过下面这个配平后的化学方程式来表示：
如果没有这个化学反应, 学习化学会变得 非常 困难. 幸运的是, 氧化反应是热力学上的有利反应，产生25, degrees, start text, C, end text的净热量，因为delta, start text, G, end text, degrees, is less than, 0.
让我们来尝试一下，找一些又好吃又甜的食物，比方说葡萄干。加上一些氧气（即将它放在空气中）。看看会发生什么？
你注意到热能的释放了吗? 水的生成和大量二氧化碳气体的释放？
最有可能的，是葡萄干除了在空气中变得更干外并没有发生其他变化。 尽管氧化反应是热力学中的有利反应, 可是反应的速率却非常 非常 非常 慢.
反应速率受到以下因素的影响：
- 活化能
- 温度: 如果你把葡萄干加热到足够高的温度, 它很可能会着火氧化
这两个因素密切相关: 提高反应温度会增加反应物分子的动能。这增加了他们有足够能量来突破反应屏障的可能性
你知道你的身体是如何解决葡萄糖氧化的问题吗? 毕竟, 你的身体温度并不比 25, degrees, start text, C, end text 高多少, 那么这个化学反应是如何在身体里持续发生的呢？
生物系统使用 催化剂 来提高氧化反应速率，使它在较低温度中的反应速率更快。在本篇文章中，我们将更多的学习什么是催化剂，以及不同种类的催化剂。
什么是催化剂?
催化剂 是可以添加到反应中的物质, 用以提高反应速率, 且不会在此过程中被消耗。它们常见的工作原理有：
- 降低过渡状态的能量, 从而降低活化能,
- 改变反应的机理。这也改变了过渡态的性质 (和能量)。
催化剂无处不在! 许多生化反应, 如葡萄糖的氧化, 在很大程度上依赖于 酶 , 即作为催化剂的蛋白质。
*其他常见的催化剂种类包括： 酸碱催化剂, 和 多相 (或 非均相) 催化剂。
示例: 碳酸酐酶
碳酸酐酶催化了二氧化碳的可逆反应 left parenthesis, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis 和水 left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesis 来形成碳酸. 当人体内
start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript （二氧化碳）浓度过高时, 碳酸氢氧化酶催化以下的反应:
通过调节血液和组织中碳酸的浓度, 酶能够保持体内的 start text, p, H, end text 平衡。
碳酸酐酶是已知最快的酶之一, 反应率在 每秒10, start superscript, 4, end superscript 和 每秒10, start superscript, 6, end superscript 之间。 与每秒0, point, 2反应率的未催化反应对比，足足提升了10, start superscript, 5, end superscript, minus, 10, start superscript, 7, end superscript, 真惊人!
下图显示了二氧化碳和水之间形成碳酸的反应的能量图。用一条蓝线表示与催化剂的反应, 用红线表示非催化反应。
催化剂降低了反应的过渡状态的能量。由于活化能是过渡态能量和反应物能量之间的差异, 降低过渡状态能量也会降低活化能。
注意，反应物和产物的能量对于催化和未催化的反应是相同的。因此反应所释放的总能量在有酶的情况下, delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, x, n, end text, end subscript, 也不会改变 . 这强调了非常重要的一点, 反应的动能，例如反应速率，和反应的热力学并没有直接关系
酸碱催化剂
在酸催化中, 催化剂通常为一个start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript离子。在碱催化中，催化剂通常为一个start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript 离子
酸催化的反应的一个例子是蔗糖的水解, 也称为食糖。蔗糖是两种简单的糖 (或 单糖)、葡萄糖和果糖的组合。随着酸或蔗糖等酶的加入, 蔗糖可以分解成葡萄糖和果糖, 如以下一系列反应所示:
在第一步中,蔗糖与 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript (在图中用红色表示)逆反应, 形成质子化蔗糖。质子化蔗糖与水逆反应(在图中用蓝色表示) 形成一个 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript分子, 一个葡萄糖分子, 一个果糖分子。 整个反应的化学方程式如下：
由于start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript 在作为反应物和产物时的含量相等, 这说明它并没有在反应中被消耗。因此催化剂在整个化学反应中既不属于反应物，也不属于产物。
非均相催化剂和表面催化剂
非均相催化剂是与反应物处于不同形态的催化剂。例如, 催化剂可能处于固态, 而反应物处于液态或气态。
非均相催化剂的一个例子是汽油车或柴油车中的催化转化器。催化转化器包含嵌入在固态载体中的过渡金属催化剂。固态催化剂接触到汽车尾气中的气体, 从而提高了反应速率,并在废气中的污染物 (如一氧化碳和未燃烧的燃料) 中形成毒性较小的产物。
催化转化器也是 表面催化 的一个例子, 在这种情况下, 反应物分子在与催化剂反应形成产物之前, 先被吸附在固体表面上。表面催化反应的速率随着催化剂与反应物接触的表面积而增加。因此, 催化转化器内部的固体支撑结构被设计的具有非常高的表面积, 因此具有多孔、蜂窝状的外观。
非均相催化和表面催化的另一个例子是用于制造普通塑料 (或 聚合物 ) (如聚乙烯) 的工艺。这些催化剂被称为齐格勒-纳塔催化剂, 它们被用来制造从塑料包装到酸奶杯的一切。过渡金属催化剂在与气态或液态的起始材料 (也称为 单体 ) 反应之前, 先被嵌入到固体支撑结构上。
尽管反应物处于气态, 产物聚合物通常是固体。我想这种反应类似于做爆米花: 未爆的玉米仁是被固体支撑结构支撑着的催化剂。气体单体的反应在催化剂的表面形成一层的固体产物聚合, 最终成为聚合物 "爆米花"。化学minus它就像魔术!
总结
- 催化剂是一种可以用来增加反应速率，同时自身不在反应中被消耗的物质。
- 催化剂通常通过降低活化能或改变反应机理来加快反应。
- 酶是一种蛋白质，在生化反应中充当催化剂。
- 常见的催化剂种类包括：酶, 酸碱催化剂, 和多相(或 非均相) 催化剂。