主要内容

课程: 化学 > 单元 12

课程 3: 阿伦尼乌斯方程和反应机理

催化剂的种类

Google课堂

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：

C_{6} H_{12} O_{6} (s) + 6 O_{2} (g) \to 6 C O_{2} (g) + 6 H_{2} O (l) + h e a t Δ G^{\circ} at 25^{\circ} C = - 2885 \frac{kJ}{mol}

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^{\circ} C

的净热量，因为

Δ G^{\circ} < 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^{\circ} C

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

({CO}_{2})

和水

(H_{2} O)

来形成碳酸. 当人体内

{CO}_{2}

（二氧化碳）浓度过高时, 碳酸氢氧化酶催化以下的反应:

{CO}_{2} + H_{2} O \to H_{2} {CO}_{3}

通过调节血液和组织中碳酸的浓度, 酶能够保持体内的

pH

平衡。

碳酸酐酶是已知最快的酶之一, 反应率在每秒

10^{4}

和每秒

10^{6}

之间。与每秒

0.2

反应率的未催化反应对比，足足提升了

10^{5} - 10^{7}

, 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,

Δ H_{rxn}

, 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

H^{+}

离子。在碱催化中，催化剂通常为一个

{OH}^{-}

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

H^{+}

(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

H^{+}

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：

C_{12} H_{22} O_{11} (蔗糖) + H_{2} O (水) \overset{酸催化剂}{\to} C_{12} H_{22} O_{11} (葡萄糖) + C_{12} H_{22} O_{11} (果糖)

由于

H^{+}

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

-

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。

想加入讨论吗？

排序方式:

尚无帖子。

你会英语吗？单击此处查看更多可汗学院英文版的讨论.