化学自习室移动版

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活化能，使反应进行的很容易。

【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。

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。

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Fe^3＋变成Fe^2＋：

第二步，H₂O₂被还原，同时Fe^2＋变成Fe^3＋：

Fe^3＋就是催化剂，Fe^2＋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。

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。

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。

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合金。

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。

2、苯的溴代反应与硝化反应

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。

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。

催化剂的催化机理如下(以Cu为例)：

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。

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。

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。

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。

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。

蛋白质在稀硫酸或NaOH的催化作用下也会发生水解。

8、石油的催化裂化

石油是一种成分复杂的烃类，含碳原子数从C^1－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。

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。