催化作用

**催化**（catalysis）或**催化作用**，是利用催化劑參與，改變化學反應速率而不影響化學平衡的作用。廣泛發生於無機物反應、有機物反應、生物體內反應。

許多化學工業要利用催化作用來獲得需要的反應速率。催化也是一種化工單元過程，催化劑本身在反應中不會被消耗，但催化劑會改變反應速率，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。

很多物質都可以做催化劑，在無機物反應中，通常利用酸、鹼、金屬或金屬化合物作為催化劑，在有機物反應中多用有性的蛋白質分子 —— 酶作為催化劑，生物體內許多化學反應都依賴酶來進行的。

催化反應可以發生在單相和多相中，也可以發生在復相中：

## 均相催化反應

在均相反應中，催化劑和反應物處於同一相中，一般發生在液體狀態中。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)

　
: $E^{\ominus }=+1.47{\text{V}}$

加入鐵 (III) 離子可催化以上反應，機理如下:

　
: $\mathrm {2Fe_{(aq)}^{3+}+2I_{(aq)}^{-}=I_{2(aq)}+2Fe_{(aq)}^{2+}} $

　
: $E^{\ominus }=+0.23{\text{V}}$

　
: $\mathrm {2Fe_{(aq)}^{2+}+{{S_{2}}{O_{8}}}_{(aq)}^{2-}=2Fe_{(aq)}^{3+}+2SO_{4}^{2-}{_{(aq)}}} $

　
: $E^{\ominus }=+1.24{\text{V}}$

又例如以 _Δ_ 代表催化劑，反應過程如下：

　
: $\left(\mathrm {A} \right)+\left(\Delta \right)=\left(\mathrm {A} \Delta \right)$

　
: $\left(\mathrm {A} \Delta \right)+\left(\mathrm {B} \right)=\left(\mathrm {K} \right)+\left(\Delta \right)$

所以最終結果為：

　
: $\left(\mathrm {A} \right)+\left(\mathrm {B} \right)+\left(\Delta \right)=\left(\mathrm {K} \right)+\left(\Delta \right)$

本來 A 和 B 之間不能直接反應或反應速率太慢，_Δ_ 的存在促進了 A 和 B 之間的反應，生成了新的產品 K。

## 多相催化反應

多相反應中催化劑一般是固體，催化反應按照下列步驟進行：

1. 擴散 - 反應物擴散到催化劑的表面；
2. 吸附 - 反應物被吸附到催化劑表面；
3. 反應 - 被吸附的反應物在催化劑表面解離各鍵，並因此發生反應，生成新產物；
4. 脫附 - 新的產物從催化劑表面解吸。
5. 擴散 - 產物從催化劑表面擴散

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，經常利用酶來進行催化。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。

## 複相催化反應

複相催化是一獨立的化學反應。它兼有均相催化的溫度和多相催化的速度。同時具有可控的方向性。對固液氣均可進行催化且用量極少。在反應時，全方位的進行催化，致使反應速率加快數千倍。由於催化能力倍增，使其可從碳水化合物中移動氫氧，而這正是把工業和生物廢棄物「一步法」轉化為標準汽柴油的科學基礎。列如：

　
: 二氧化碳 + 廢塑料輪胎 --> 汽柴油 + 可燃氣 + 炭黑

既解決了空中環境堵塞，又將地面廢棄物轉化為能源；

　
: 煤 + 地面農、林、牧、城市生活廢棄物、城市工業廢棄物 --> 汽柴油 + 可燃氣 + 炭黑

既解決了地面的污染問題，地面生態通道的堵塞，和煤排出的二氧化碳問題，又將煤、地面廢棄物轉化為急需的汽、柴油基礎油，它產生的可燃氣體和天然氣的低碳排放是一個水平：排出的可燃氣體，碳排放量為 16%，天然氣的碳排放量 12%

優化化石能源的產業結構。用先進的催化技術和仿生能源的工藝方法，將 
煉油工業轉化為資源節約型的工業結構。

　
: 石油 --> 汽柴油 + 可燃氣 + 炭黑

以高科技手段，打破壟斷，形成資源節約型產業，把地下化石能源成本降下來。
相比於傳統煉油，設備成本為（1/5） 生產成本為（1/2）且更多的產出來源於石油中的生物質

複相催化具有廣泛的用途。它可替代多相和均相催化。同時，它也會從本質上改變燃燒動力，因而對動能機械影響很大，像飛機，火車，輪船及其它大型運輸工具。因為它可解決加速度和長距離巡航問題。另外，它可降低多種物質的臨界點。這將極大的有利於核反應爐，超臨界萃取，地下油砂的開採。

## 氧化還原催化反應

通過金屬氧化物中金屬元素的變價（氧化還原循環）來加速反應速率的催化作用。

## 參考

 

## 外部連結

* Science Aid: Catalysts Page for high school level science
* W.A. Herrmann Technische Universität presentation （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Centre for Surface Chemistry and Catalysis （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Carbons & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Center for Enabling New Technologies Through Catalysis, An NSF Center for Chemical Innovation, USA （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* "Bubbles turn on chemical catalysts" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Science News magazine online, April 6, 2009.