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有关催化剂的二三事儿

来源:化学小站作者:化学自习室 点击:所属专题: 催化剂
定义:在化学反应里能改变反应的化学反应速率(多为增大速率,少有降低),而不改变化学平衡,且本身的质量和化学性质,在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂(固体催化剂也叫触媒)。 因为催化剂具有高效、绿色、经济的特点,因而在90%以上化学化工生产过程中都

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定义:在化学反应里能改变反应的化学反应速率(多为增大速率,少有降低),而不改变化学平衡,且本身的质量和化学性质,在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂(固体催化剂也叫触媒)。

因为催化剂具有高效、绿色、经济的特点,因而在90%以上化学化工生产过程中都离不开它,催化剂涉及的领域有能源、化工、食品、医药等行业。

对于反应热或焓变(∆H)来说,有它没它都一样,因为催化剂无法改变故事的开始和结局;但对于反应过程来说,有它没它却大不一样,因为它可以让故事的情节开挂,即降低了反应所需的有关催化剂的二三事儿活化能,使反应进行的很容易。

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【画外音故事】甲同学有一个当上市公司CEO的爹,大学玩了四年,在大学毕业后,他爹一句话,就让他当上了该上市公司的部门经理;乙同学农二代出身,大学努力学习,以优异的成绩进入该上市公司,大学毕业后,经过多年的努力工作,也当上了该上市公司的部门经理。虽然两人的结局相同,但是过程大不相同。因为甲同学有一个催化剂爹。

对于化学平衡来说,有它没它也都一样,因为催化剂无法改变化学平衡的进行程度——依然还是无法改变故事的结局;但对于反应速率来说,有它没它却大不一样,因为它可以大大缩短到达平衡所需要的时间。

【画外音故事】甲和乙都在山西太原,他们各自计划去山西大同旅行。于是都一路向北,甲同学坐动车,两个小时到达;乙同学徒步,五天到达。甲和乙最终到达目的地的北纬度是相同的——山西大同,但是速度不同,所见的风景也不同。甲同学所坐的动车就是催化剂,化学反应性非异也,善假于催化剂也。

名言1——伟人是历史进步的催化剂

名言2——腐败是社会进步的催化剂

一、无机化学部分的催化剂

1、氯酸钾分解制氧气

这是我们接触到的第一个催化剂,如果没有MnO2做催化剂,直接加热到较高的温度也可以分解产生O2,但是用MnO2,反应就变得真香,所谓催化一时爽,一直催化一直爽。

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2、过氧化氢分解制氧气

过氧化氢也是实验室制氧气的一种常用试剂。即使不加热的情况下,H2O2也可以缓慢释放出O2。如果略微加热即可产生O2。如果在常温下加入MnO2、FeCl3、CuO、动物肝脏,那么H2O2就不再装矜持,剧烈反应,快速释放出大量的O2

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一般认为,催化剂参与整个反应过程,在产生了中间产物后,中间产物继续反应,最终又变回了催化剂。也就是说,催化剂就是一个搅局者,在把整个局势彻底挑动起来之后,自己全身而退,深藏功与名。

我们以FeCl3为催化剂,阐述一下H2O2催化分解的机理。

H2O2中的O为-1价,主要表现为氧化性,但在少数情况下可以表现为还原性。

第一步,H2O2被氧化,同时Fe3+变成Fe2+

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第二步,H2O2被还原,同时Fe2+变成Fe3+

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Fe3+就是催化剂,Fe2+是催化剂的中间产物。

3、实验室制氢气

实验室用锌与稀硫酸反应制得氢气。

纯锌与稀硫酸反应生成氢气的速率比较慢;粗锌与稀硫酸反应生成氢气的速率很快。

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原因很简单,粗锌里有碳杂质,锌-碳-稀硫酸组成原电池,电化学反应的速率远大于普通化学反应反应的速率。碳不参与反应,所以相当于催化剂。

4、硫酸工艺

硫酸工艺分三步,第一步造气,即含硫矿石的燃烧产生SO2,第二步催化氧化,即SO2与O2反应制SO3,第三步吸收,SO3用水吸收(实际上用浓硫酸吸收)制得硫酸。

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很显然,第二步才是主角,因为它是三步里最难进行的一步。

在V2O5做催化剂,温度加热到400-500℃的条件下,该反应SO2的平衡转化率可以达到90%以上(催化剂不影响平衡转化率)。

5、合成氨工业

合成氨工业即人工固氮,若没有这个反应,世界上最少饿死一半人。

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N2和H2在400-500℃温度,10MPa-30MPa的压强,铁做催化剂的条件下,可以完成人工固氮反应。人工固氮反应的产率并不高,只有完全转化理论值的30%左右。

6、氨气氧化法制硝酸

制出来的氨气,不单单可以做肥料,也可以做炸药。当然,前提是把氨气氧化成高价的硝酸。在所有的制取工艺里,最重要的一步就是NH3催化氧化制NO,催化剂使用的是铂铑有关催化剂的二三事儿合金

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此外,铂铑钯等合金还可以充当汽车尾气处理的三元催化剂。所谓三元催化剂,指的是氮氧化物、CO、烃类等三类污染气体的催化剂,铂铑钯合金将这些有害气体,在短时间内变成无污染的气体。

二、有机化学部分

1、实验室制乙炔

实验室制取乙炔,原料是电石和水。电石发生水解反应生成熟石灰和乙炔。值得一提的是,这里实际使用的反应物并不是水,而是饱和食盐水,目的是为了减小电石与水之间的化学反应速率,防止反应过于剧烈不好控制。这是负催化剂的一个经典的反应。

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2、苯的溴代反应与有关催化剂的二三事儿硝化反应

苯的溴代反应使用的催化剂是FeBr3,苯的硝化反应使用的催化剂是浓硫酸,此外浓硫酸还做吸水剂。

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3、乙醇的催化氧化

乙醇的催化氧化,在加热的条件下,以Cu或Ag为催化剂,生成乙醛和水。

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催化剂的催化机理如下(以Cu为例):

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4、乙醇的消去反应

乙醇与浓硫酸混合液在170℃时,发生分子内脱水的反应形成烯烃。浓硫酸的作用是催化剂和脱水剂。

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5、乙醇和乙酸的酯化反应

乙醇在浓硫酸催化和加热条件下与羧酸发生反应,醇脱-H,酸脱-OH,生成酯类与水。浓硫酸的作用是催化剂和吸水剂。

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6、酯类的水解反应

酯基在稀硫酸催化的条件下发生水解反应,生成酸和醇;酯基在碱性条件下发生水解反应,生成盐和醇。其中,酯类在碱性条件下的水解更完全。稀硫酸是催化剂,氢氧化钠并不是,因为它参与了反应。

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7、非单糖、油脂、蛋白质(多肽)的水解反应

双糖或者多糖的水解反应,最常用的催化剂是稀硫酸。

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所以,在验证双糖或者多糖的水解产物——还原性的葡萄糖的时候,必须先调节pH,再加入斐林试剂或银氨溶液进行验证,不然实验就会失败。

油脂的本质还是属于酯类,故水解所需要的催化剂也是稀硫酸或者NaOH。

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蛋白质在稀硫酸或NaOH的催化作用下也会发生水解。

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8、石油的催化有关催化剂的二三事儿裂化

石油是一种成分复杂的烃类,含碳原子数从C1-C50不等。为了充分利用石油,很多高级烃(即碳原子数较多的烃)要通过裂化裂解反应变成碳原子数较少的烃类,如石蜡油(也是石油的一类成分)的热分解,在石蜡油的热分解实验中,素瓷片(主要成分是SiO2和硅酸盐)既可以作为石蜡油的反应载体,也是石蜡油的催化剂。

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高级烷烃催化裂化的产物中,既有低级烷烃,也有低级烯烃,故不可以用裂化汽油来萃取溴水中的溴。

三、催化剂专题总结

通过观察可以发现,除了酸、碱在有机物的水解反应、消去反应、酯化反应里做催化剂之外,大部分催化剂都是过渡金属元素及其化合物。虽然催化剂反应前后的总量不变,但催化剂在使用过程中,可能会和其它杂质发生反应而中毒失活,也会因为温度控制不当而失活。所以,催化剂也是化学化工生产中的消耗品。

另外,催化剂虽然不会影响可逆反应的化学平衡状态,但是催化剂的选择性,会影响有机反应中目标产物的产率,因为有机反应经常会发生副反应,催化剂的作用之一就是提高主反应的选择性。

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(责任编辑:化学自习室)
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