催化剂定义

催化剂是改变反应进程以改变其发生速率的化学物质。催化剂通常用于加速或提高反应速率。本质上，催化剂促进分子相互作用并简化整个反应循环。

以下是催化剂的一些关键特性

1. 催化剂不会引发化学反应。
2. 反应不会消耗催化剂。
3. 由于它们与反应物反应生成中间体，催化剂也有助于生成最终反应产物。催化剂在整个过程后能够再生。

催化剂有三种形式：固体、液体和气体。金属或其氧化物，如硫化物和卤化物，属于固体催化剂。硅、铝和硼等半金属物质也用作催化剂。纯液体和气态元素用作催化剂也是如此。这些物质有时会与合适的溶剂或载体混合。

催化反应在其体系中发生并使用催化剂。换句话说，催化剂和反应物将发生化学反应以产生催化作用。因此，会生成化学中间体，这些中间体随后可以与彼此或其他反应物快速反应生成产物。然而，当化学中间体与反应物之间发生或发生反应时，催化剂就会再生。

催化剂与反应物之间的反应模式通常差异很大，对于固体催化剂而言，它更为复杂。反应可以是酸碱反应、氧化还原反应、配位络合物形成以及自由基的产生。对于固体催化剂，表面性质以及电子或晶体结构对反应机理有很大影响。一些固体催化剂，如多功能催化剂，可以与反应物发生多种反应模式。

不同类型催化剂的样品

根据化学过程的需求或要求，可以使用多种类型的催化剂。列表如下：

1. 正催化剂 - 正催化剂是指能加速化学反应的物质。降低活化能势垒可以加速反应，从而将更多的反应分子转化为产物，提高产物收率百分比。

正催化剂示例：在 Haber 法制备 NH₃ 的过程中，氧化铁作为正催化剂，尽管降低了氮的反应活性，但提高了氨的产量。

2. 负催化剂 - 负催化剂是减缓反应的催化剂。提高活化能势垒会减少可转化为产物的反应物分子的数量，从而减缓反应速率。负催化剂的一个例子是使用乙酰苯胺来减缓过氧化氢分解为水和氧。乙酰苯胺作为负催化剂，减缓了过氧化氢的分解速率。

3. 加速剂或促进剂 - 促进剂或加速剂是指能够加速催化剂活性的物质。

例如，在 Haber 法中，钼或钾和氧化铝的组合作为促进剂。

4. 催化剂抑制剂或毒物 - 催化剂毒物或抑制剂是降低催化剂活性的物质。

示例：在喹诺酮溶液中，催化剂钯与硫酸钡中毒，以在烯烃水平抑制炔烃加氢生成烯烃。这种催化剂被称为 Lindler 催化剂。

单位

“Katal”是用于描述催化剂催化活性的 SI 单位。此外，它以摩尔/秒为单位。如果我们想解释催化剂的生产力，周转率或 TON 就可以做到。周转频率 (TOF)，即每单位时间的 TON，可用于描述催化活性。其生化等价物是酶单位。

催化

催化是在使用催化剂来加速化学反应时发生的现象。

存在哪些类型的催化？

根据化学反应过程中物质的组成和物理状态，有三种不同的催化形式；

• 均相催化
• 多相催化
• 自催化

1. 多相催化

在这种类型的催化中，反应物和所用催化剂不处于相同的物质状态。

示例 1：使用 Haber 法制备氨。

在 1:3 的比例下，使用压缩机将纯净干燥的氮气和氢气压缩，保持 200-230 个大气压的高压。在此过程中使用氧化铁作为催化剂。在反应物为气态的过程中，它是一种固体氧化物。在固体氧化铁的压力下，氮气（g）和氢气（g）反应生成氨气（g），这是多相催化。

示例 2：用于制造硫酸的接触工艺。

二氧化硫氧化是此过程中的关键阶段。二氧化硫是气体，氧气是气体，五氧化二钒是固体催化剂，用于此氧化。在此过程中，反应物和催化剂处于不同的物质状态。

多相催化机理

除了吸附，多相催化还涉及中间产物的生成。在催化剂表面的活化中心上，吸附了反应物分子。它们结合形成一种称为活性络合物的化学中间体。当这个分子分解时，就会产生产物。

当产物产生时，它们会立即从表面解吸。在多相催化中，中间产物的生成和产物解离遵循反应物在催化剂表面上的初始吸附。

下面说明了在镍表面上乙烯加氢生成乙烷的过程

1. 当活性氢与醚结合时，会生成乙烷。催化剂表面覆盖着醚和氢分子。
2. 活化中心主要被氢填充，称为闭塞。
3. 为了形成活性络合物，乙烷分子在双键所在的位置发起进攻。
4. 在该乙烷在催化剂表面上解吸。

2. 均相催化

均相催化是指反应物和反应中使用的催化剂都处于相同的物质状态的过程。均相催化剂与反应物在同一阶段起作用。通常，底物和均相催化剂溶解在溶剂中。均相催化的一例是 H+ 对羧酸酯化反应的影响，例如乙酸和甲醇生成乙酸甲酯。高产量操作，如加氢甲酰化、加氢硅烷化和加氢氰化，需要均相催化剂。对于无机化学家来说，均相催化和有机金属催化剂经常互换使用。然而，如钴盐用于催化对二甲苯转化为对苯二甲酸所示，许多均相催化剂并非有机金属。

虽然不含金属的小有机分子也可能表现出催化能力，正如许多酶中不存在过渡金属所表明的那样，含金属的小有机分子在催化研究中经常受到关注。这些有机催化剂与传统的金属基催化剂竞争，并在 2000 年代初被称为“新品种”。与过渡金属（离子）基催化剂相比，有机催化剂通常需要更高的负载量（每单位反应物的催化剂数量，以摩尔百分比表示）。然而，由于这些催化剂通常以散装形式出售，成本可以保持在较低水平。

示例 1：稀酸存在下的乙酸乙酯水解

液态乙酸乙酯中含有酯官能团。当它与稀硫酸（液体）中的水结合时，会生成乙醇和乙酸。

CH₃COOC₂H₅+H₂OCl

上述过程中的反应物和催化剂处于相同的物质状态。因此，这是均相催化。

示例 2：铅室法中二氧化硫的氧化。

硫酸通过铅室法生产。一氧化氮气体催化此过程。由于反应中催化剂 NO、SO₂ 和 O₂ 都是气体，因此发生均相催化。

均相催化机理

通过中间产物形成器假说，发生均相催化。

让我们考虑一下铅室机理如何将 SO₂ 转化为 SO₃。一氧化氮气体催化此过程。

该 NO 与 SO₂ 相互作用，生成 SO₂ 和一种称为“NO₂”的中间分子。

第一步：一氧化氮和氧气相互作用生成二氧化氮 (NO2)。该 NO₂ 与 SO₂ 相互作用生成三氧化硫和 NO 作为中间分子。

中间化合物：2NO(g) + O₂(g) 2NO₂(g)

2SO₃(g) + 2NO = 2SO₂ + 2NO₂ (g)

光催化剂

当催化剂能够吸收光（如可见光）并跃迁到激发态时，这种现象称为光催化。

3. 自催化

自催化反应没有添加特殊催化剂。相反，其中一种产物充当催化剂，加速其他化合物的生产。

示例 1：反应器中产生的砷在砷化氢 (AsH₃) 分解过程中充当“自催化剂”。

2As + 3H₂ = 2AsH₃

As 催化此过程。

示例 2：KMnO₄ 氧化草酸。

当高锰酸钾添加到酸性溶液中时，会发生草酸根离子（或草酸）的氧化。反应生成 Mn²⁺ 离子，它对反应进行自催化。高锰酸钾与酸化草酸溶液之间的反应速率最初很慢。反应过程中形成的 Mn²⁺ 离子有助于提高反应速率。