催化

催化（catalysis）或催化作用，是利用催化剂参与，改变化学反应速率而不影响化学平衡的作用。广泛发生于无机物反应、有机物反应、生物体内反应。 许多化学工业要利用催化作用来获得需要的反应速率。催化也是一种化工单元过程，催化剂本身在反应中不会被消耗，但催化剂会改变反应速率，一催化劑亦可能參與複數的催化反應。正催化劑可加速反應；負催化劑或抑制劑則會與反應物反應進而降低化學反應。可提高催化劑活性的物質稱為促進劑；降低催化劑活性者則稱為催化毒。 相較於未催化的反應，同溫度的催化反應擁有較低的活化能。催化劑可以藉由結合反應物達到極化的效果，如酸催化劑之於羰基化合物的合成；催化劑也可產生非自然的反應中間物，如以四氧化鋨催化烯烴的雙羥基化中產生的鋨酸鹽酯；催化劑亦可造成反應物的裂解，如製氫時產生的單原子氫。 很多物质都可以做催化剂，在无机物反应中，通常利用酸、碱、金属或金属化合物作为催化剂，在有机物反应中多用有性的蛋白质分子——酶作为催化剂，生物体内许多化学反应都依赖酶來进行的。 催化反应可以发生在均相催化和多相催化中，也可以发生在复相催化中： 在均相催化反应中，催化剂和反应物处于同一相中，一般发生在液体状态中。催化劑可與反應物生成中間體，使反應機理轉變為另一個擁用較低活化能的新機理，故反應速率得以提升。 以過二硫酸根離子（S2O82-）與碘離子（I-）的反應為例： S2O82-(aq) + 2 I- = 2 SO42-(aq) +I2 (aq) E ⊖ = + 1.47 V {\displaystyle E^{\ominus }=+1.47{\text{V}}} 加入鐵(III)離子可催化以上反應，機理如下: 2 F e ( a q ) 3 + + 2 I ( a q ) − = I 2 ( a q ) + 2 F e ( a q ) 2 + {\displaystyle \mathrm {2Fe_{(aq)}^{3+}+2I_{(aq)}^{-}=I_{2(aq)}+2Fe_{(aq)}^{2+}} } E ⊖ = + 0.23 V {\displaystyle E^{\ominus }=+0.23{\text{V}}} 2 F e ( a q ) 2 + + S 2 O 8 ( a q ) 2 − = 2 F e ( a q ) 3 + + 2 S O 4 2 − ( a q ) {\displaystyle \mathrm {2Fe_{(aq)}^{2+}+{{S_{2}}{O_{8}}}_{(aq)}^{2-}=2Fe_{(aq)}^{3+}+2SO_{4}^{2-}{_{(aq)}}} } E ⊖ = + 1.24 V {\displaystyle E^{\ominus }=+1.24{\text{V}}} 又例如以Δ代表催化剂，反应过程如下： ( A ) + ( Δ ) = ( A Δ ) {\displaystyle \left(\mathrm {A} \right)+\left(\Delta \right)=\left(\mathrm {A} \Delta \right)} ( A Δ ) + ( B ) = ( K ) + ( Δ ) {\displaystyle \left(\mathrm {A} \Delta \right)+\left(\mathrm {B} \right)=\left(\mathrm {K} \right)+\left(\Delta \right)} 所以最终结果为： ( A ) + ( B ) + ( Δ ) = ( K ) + ( Δ ) {\displaystyle \left(\mathrm {A} \right)+\left(\mathrm {B} \right)+\left(\Delta \right)=\left(\mathrm {K} \right)+\left(\Delta \right)} 本来A和B之间不能直接反应或反应速率太慢，Δ的存在促进了A和B之间的反应，生成了新的产品K。 多相反应中催化剂一般是固体，催化反应按照下列步骤进行： 擴散-反应物扩散到催化剂的表面； 吸附-反应物被吸附到催化剂表面； 反應-被吸附的反应物在催化剂表面解离各键，并因此发生反应，生成新产物； 脫附-新的产物从催化剂表面解吸。 擴散-產物從催化剂表面擴散 催化劑的催化作用原理較複雜，不同的催化劑的作用原理不盡相同，酶的催化作用更為複雜，而且具有高度的選擇性，只能對某種特定的反應進行催化，在食品工業和藥物合成中，經常利用酶来進行催化。另外，由於d棟元素原子具有不同數目的價電子及低能階的空電子能階，故能使反應物吸附在d棟金屬表面。因此在一些反應中，包括以哈柏法生產氨氣，d棟金屬可以提供一個適當的金屬表面，進行多相催化反應。此外，二氧化錳催化過氧化氫分解成水之反應亦為多相催化作用。 複相催化是一独立的化学反应。它兼有均相催化的温度和多相催化的速度。同时具有可控的方向性。对固液气均可进行催化且用量极少。在反应时，全方位的进行催化，致使反应速率加快数千倍。由于催化能力倍增，使其可从碳水化合物中移动氢氧，而这正是把工业和生物废弃物“一步法”转化为标准汽柴油的科学基础。列如： 二氧化碳 + 废塑料轮胎 --> 汽柴油+可燃气+炭黑 既解决了空中环境堵塞，又将地面废弃物转化为能源； 煤+地面农、林、牧、城市生活废弃物、城市工业废弃物 --> 汽柴油+可燃气+炭黑 既解决了地面的污染问题，地面生态通道的堵塞，和煤排出的二氧化碳问题，又将煤、地面废弃物转化为急需的汽、柴油基础油，它产生的可燃气体和天然气的低碳排放是一个水平：排出的可燃气体，碳排放量为16%，天然气的碳排放量12% 优化化石能源的产业结构。用先进的催化技术和仿生能源的工艺方法，将 炼油工业转化为资源节约型的工业结构。 石油 --> 汽柴油+可燃气+炭黑 以高科技手段，打破垄断，形成资源节约型产业，把地下化石能源成本降下来。 相比于传统炼油，设备成本为（1/5） 生产成本为（1/2）且更多的产出来源于石油中的生物质 複相催化具有广泛的用途。它可替代多相和均相催化。同时，它也会从本质上改变燃烧动力，因而对动能机械影响很大，像飞机，火车，轮船及其它大型运输工具。因为它可解决加速度和长距离巡航问题。另外，它可降低多种物质的临界点。这将极大的有利于核反应炉，超临界萃取，地下油砂的开采。 通过金属氧化物中金属元素的变价（氧化还原循环）来加速反应速率的催化作用。 查看维基词典中的词条「catalysis」。 维基共享资源上的相关多媒体资源：催化 英文维基文库中的《1911年版大英百科全書》條目：Catalysis Science Aid: Catalysts Page for high school level science W.A. Herrmann Technische Universität presentation （页面存档备份，存于互联网档案馆） Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan （页面存档备份，存于互联网档案馆） Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands （页面存档备份，存于互联网档案馆） Centre for Surface Chemistry and Catalysis （页面存档备份，存于互联网档案馆） Carbons & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile （页面存档备份，存于互联网档案馆） Center for Enabling New Technologies Through Catalysis, An NSF Center for Chemical Innovation, USA （页面存档备份，存于互联网档案馆） "Bubbles turn on chemical catalysts" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Science News magazine online, April 6, 2009.