催化劑如何影響化學反應速率？

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介紹

催化是利用一種未被反應消耗的化學物質來改變反應速率的過程。因此，它不會改變過程的總化學計量，但它必須至少發生在催化反應機理中的一個基本過程中。雖然催化途徑具有較低的活化能，但反應產生的總能量變化不受催化劑存在的影響。儘管如此，由於其較低的活化能，在相同溫度下，催化反應的反應速率比非催化反應快。由於催化劑降低了能量勢壘的高度，它的引入以相同的量提高了正向和反向反應速度。

nigerianscholars.com，反式效應能級圖，CC BY-SA 4.0

什麼是催化？

• 在化學中，催化是指改變反應速率，通常是透過引入在反應過程中未被消耗的化合物來實現的。

• 化學反應速率或速度受許多因素的影響，包括反應物的化學組成以及它們所處的環境條件。

• 催化劑——透過非反應物化學物質來加速化學過程——是一種與反應速度相關的特定現象，具有巨大的實際和理論意義。

化學反應中的催化劑是什麼？

• 它是一種化合物，無需參與反應過程，即可增加或減少開始化學反應所需的壓力或溫度。催化是利用催化劑加速反應的過程。

• 催化劑透過降低Ea（活化能）（即開始反應所需的能量）來提高反應效率。因此，催化劑促進化學鍵的形成和斷裂，從而產生新的分子和化合物。

• 催化劑可以實現更快、更節能的操作。催化劑還具有選擇性這一關鍵特性，使其能夠控制反應，增加所需產物的數量，同時最大限度地減少不需要的副產物。它們可以創造具有全新潛在用途的完全不同的材料。

• 在過去幾年中，科學家們已經開發出更具有選擇性的催化劑，用於重要的實際應用。強大的催化劑尤其改變了化學工業。這些發現導致了可生物降解的聚合物、新藥以及更環保的肥料和燃料。

• 在哈伯法中，鐵用作催化劑。在這個過程中，通常使用鐵作為催化劑。選擇鐵是因為它有助於在更短的時間內獲得足夠的產物產量。

什麼是均相催化？

• 當催化劑和反應物處於相同的物質狀態（通常是液體或氣體）時，這些反應被認為是均相催化。

• 在生產硫酸的鉛室法中，氮氧化物作為二氧化硫氧化的催化劑，這是一個催化反應的例子，其中反應物和催化劑都是氣體。

• 一些氣體反應，例如O₂和CO在乾燥環境下的緩慢反應，是由H₂O殘留物催化的。

• SO₃是透過二氧化硫與分子氧在氮氧化物作為催化劑存在下氧化形成的。

  $$\mathrm{O_2 (g)+2SO_2 (g)→2SO_3 (g)}$$

什麼是多相催化？

• 在許多已知的催化反應中，催化劑和反應物並不處於相同的相。這被稱為多相催化。

• 它們涉及在固體催化劑表面上液體、氣體或兩者之間的反應。

• 由於反應發生在表面，因此在金屬網、細分金屬、整合到載體基質中的金屬以及金屬薄膜中經常使用的方法，在當前的多相催化中被用來為一個催化劑單元提供高表面積。

• 金屬可以直接使用，也可以轉化為硫化物、氧化物或鹵化物。

• 二氧化硫在鉑存在下反應生成SO₃。

  $$\mathrm{3SO_2 (g)→2SO_3 (g)}$$

  在這種情況下，催化劑是固體，而反應物是氣體。

催化劑如何影響化學反應速率？

• 合適的催化劑可用於提高反應速率。催化劑是一種加速化學反應但不被消耗的物質。它在替代化學途徑中提供較低的活化能。

• 為了提高大量前驅物之間的反應速度，只需要非常少量的催化劑。

  • 催化劑具有很高的特異性。

  • 並非所有反應都有可用的催化劑。

• 催化劑降低了反應過渡態的能量。因為活化能是反應物能量和過渡態能量之間的差值，所以降低過渡態能量也降低了活化能。

• 對於未催化和催化反應，產物和反應物的能量相同。因此，新增酶不會影響過程中釋放的總能量。這強調了一個關鍵點：反應動力學，即反應速率，與過程的熱力學沒有直接關係。

Emma Ambrogi，催化劑能量圖，CC BY-SA 4.0

結論

可以得出結論，催化是利用催化劑來提高化學反應速率的技術。催化劑在反應中不被消耗。如果反應速度很快並且催化劑迴圈利用速度很快，則通常只需要相對少量的催化劑；表面積、混合和溫度都是影響反應速率的關鍵因素。催化劑通常與一種或多種反應物相互作用以生成中間體，然後這些中間體生成反應的最終產物，從而在反應中再生催化劑。

常見問題

1. 吸附是什麼意思？

吸附是指分子在液體或固體表面上的濃度，而不是在其本體中。

2. 毒物和促進劑是什麼意思？

促進劑是提高催化效率的化合物。例如，鉬用作促進劑以提高哈伯氨合成過程中催化劑Fe的活性。

毒物是抑制催化劑功能的化合物。例如，鈀在Rosenmund過程中用作催化劑。

3. 解釋吸附和解吸的概念。

解吸是指從吸附表面去除吸附物質的過程。

吸附是指兩種物質同時發生吸附和吸收的過程。

4. 酶作為生物催化劑有哪些特徵？

催化一系列與植物和動物體內發生的維持生命過程相關的自然過程有關的反應的酶被稱為生物催化劑。

5. 鎳用作催化劑嗎？

由於其斷裂C-C鍵的傾向，鎳基催化劑在重整反應中最常用。由於其耐受反應環境的能力，鎳通常被負載到氧化鋁上。