【阿里巴巴化工】催化劑在化學中的角色及其應用
陳文召
河南省西平縣教師進修學校
無論是在初學化學還是在高中化學中，都涉及催化劑問題，許多化學反應都需要催化劑，催化劑不僅是化學的一個十分重要的概念和知識點，目前現(xiàn)代化學工業(yè)也正在朝著材料和能源方向發(fā)展，這就決定了化學催化劑的作用越來越大，比如工業(yè)合成氨是在高溫、高壓、鐵觸媒催化條件下進行的，而生物固氮是在常溫常壓下進行的，有機和生化反應中應用催化劑的更多。目前催化劑已經(jīng)成為一門學科。因此教學中幫助學生準確把握和理解這個概念是非常重要的。不僅如此，還要運用好這個知識點，培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新意識、研究探究能力。
對于催化劑的概念，不同的教材版本有不同的描述，人教版的定義是：在化學反應前后能改變化學反應的速率，但本身的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)都沒有改變的物質(zhì)，叫這個反應的催化劑。現(xiàn)在滬教版的定義把人教版定義中的“改變”換成“加快”，為此還頗有一番爭議。
初中化學課程標準中的要求是：認識催化劑的重要作用。初中學生剛接觸化學，只要求簡單認識了解一些簡單常見的化學現(xiàn)象、常見元素及其物質(zhì)的性質(zhì)、用途、實驗室制備等方面知識，從新課程標準出發(fā)，筆者認為對這個概念的基本要求是：通過實驗，讓學生自然形成催化劑的概念，在此基礎(chǔ)上進一步了解催化劑的應用，而不能引申和拔高。以前使用的人教版的教材是通過氯酸鉀受熱分解制取氧氣的實驗引出催化劑概念的。不妨用三個實驗對比來說明問題：
實驗一：把少量的二氧化錳和氯酸鉀混合物放在試管里加熱片刻，用帶余燼的木條插入管口，木條復燃，說明有氧氣產(chǎn)生。
實驗二：把少量氯酸鉀放在試管里加熱片刻，用帶余燼的木條插入管口，木條不燃，說明沒氧氣產(chǎn)生。在加熱幾分鐘，看到氯酸鉀融化，有少量氣泡，用帶余燼的木條插入管口，木條復燃，說明有氧氣產(chǎn)生。
實驗三：把少量的二氧化錳放在試管里加熱片刻，用帶余燼的木條插入管口，木條沒有復燃，說明沒有氧氣產(chǎn)生。
以上三個實驗說明二氧化錳具有使氯酸鉀在較低溫度下迅速反應放出氧氣的本領(lǐng)。從而引出催化劑的概念：這種在化學反應里能改變其他物質(zhì)的反應速率，而本身的性質(zhì)在放入前后都沒有變化的物質(zhì)叫催化劑。滬教版教材在講催化劑概念時，改用二氧化錳催化雙氧水溶液分解來制取氧氣的實驗，原因是：一是對二氧化錳是不是氯酸鉀分解反應的催化劑人們還有爭議，因為反應中生成有紅色物質(zhì)；二是二氧化錳催化分解雙氧水的反應環(huán)保，現(xiàn)象明顯。
筆者也曾在初中化學課教學課堂上通過實驗、對比、觀察、分析、總結(jié)、歸納，引出催化劑的概念，但必須把握準確定義要點，就是“改變”或“加快”其他物質(zhì)的反應速度而自身的質(zhì)量和性質(zhì)都沒有改變。因為學生是初次認知此概念，筆者認為用“加快”更直觀些。課堂上學生會問為什么，我當時用了一個簡單的比喻：俗話說無中間人事不成，就像人介紹對象，經(jīng)媒婆三言兩語成了，媒婆有特殊的本能或者說話技巧，至于哪些物質(zhì)可以做催化劑，它們又是怎樣促進反應的，留待以后我們深入學習，有興趣的同學可以查查資料，老師幫你解決。
在高中教學實踐中，在做分組實驗時筆者把學生分成五個組：一組做[實驗１]和[實驗２]，二組做[實驗３]，三組做二氧化錳催化雙氧水溶液分解制氧氣的實驗，四組做氧化銅催化雙氧水溶液分解實驗，五組做氧化鎂催化雙氧水溶液分解實驗。通過觀察、對比、引導學生分析歸納出以下結(jié)論：一是催化劑加快了其他物質(zhì)的反應速度而自身的質(zhì)量和性質(zhì)在反應前后不變，但狀態(tài)可能改變。二是催化劑可能參與了反應，[實驗３]中看出反應物顏色改變和二氧化錳顆粒狀態(tài)的改變說明二氧化錳可能參與了反應。三是一種反應的催化劑可能不止一種，可以在同類型物質(zhì)中尋找。
相比高中教學對催化劑概念的要求標準就要高多了，而且隨著學習的深入對催化劑概念理解也在不斷加深、拓展。教師首先要全面、準確把握概念的內(nèi)涵和外延。
首先準確定義概念。這里再用“加快”之詞就是原則性錯誤了。
從催化劑的反應機理上分析，人們認為催化劑本身和反應物一起參加了化學反應，催化劑降低了反應的活化能。催化反應是由于形成了很容易分解的“中間產(chǎn)物”，分解時催化劑恢復了原來的化學組成，原反應物就變成了生成物，所以說催化劑參與了化學反應。有些催化反應是利用表面吸附作用，這是一個物理過程，如合成氨用的鐵觸媒，吸附作用僅能在催化劑表面最活潑的叫做活性中心的區(qū)域進行。有些反應過程中催化劑增大了反應的活化能，催化劑就起到減慢反應速率的作用。當然有機化學中的化學反應需要催化劑的機理更復雜。
從催化劑的應用看。以前將催化劑分成了兩類：使化學反應加快的催化劑，叫做正催化劑；使化學反應減慢的催化劑，叫做負催化劑。其實在日常生活中，絕大多數(shù)的催化劑都是加快反應的速率。當然也有很多的在起減緩反應的速率的作用，最熟悉的正催化劑例子，就是二氧化錳在氯酸鉀受熱分解中起催化作用的那個實驗，二氧化錳在實驗中就是正催化劑。為了防止食用油脂的酸敗，通常要加入０.０１％－０.０２％的沒食子酸正丙脂，在這里，沒食子酸正丙脂就是阻化劑。但就其原理都是消耗了所謂的催化劑，用一種與其中一種反應物反應更快的物質(zhì)替代了另一種反應物，并不是真正的催化劑，因為反應前后的質(zhì)量和化學性質(zhì)都發(fā)生了改變。因此這種“負催化劑”在反應中是消耗的，所以現(xiàn)在多改用其他名稱了，如阻制劑。
國際純粹化學及應用化學聯(lián)合建議(1997年)的定義是：存在較少量就能顯著地加速反應而其本身最后并無損耗的物質(zhì)稱為該反應的催化劑。
催化劑在化學反應中的作用是改變化學反應途徑來改變速度的，并不是說沒有催化劑化學反應就不能進行，更不可能提高反應后產(chǎn)品的總產(chǎn)量。還是拿氯酸鉀受熱分解的反應來說吧！如果不加催化劑，氯酸鉀在高溫至融化時也能分解，而且分解后所得物質(zhì)質(zhì)量，和加了催化劑后分解所得物質(zhì)質(zhì)量（除去催化劑質(zhì)量）是一樣的！
根據(jù)催化劑的物理和化學性質(zhì)，可將其分為以下幾類。
1.多相催化，這類催化劑是固體材料如分子篩、金屬、金屬氧化物、硫化物等。催化反應發(fā)生在固、氣相的界面上，大部分化學工業(yè)流程均為多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。
2.均相催化，這類催化劑通常是含有金屬的復雜分子，催化反應在氣相或液相中進行。催化劑和反應物均溶解于氣相和液相中，如烴烯聚合。
3.光催化吸收光能促進化學反應，如光合作用。
4.電催化利用化學方法使電極表面具有催化活性。
5.酶催化和仿酶催化，酶是一種高分子蛋白質(zhì)，生物的各種生理過程都是在酶控制下進行的，同時酶也可用于工業(yè)生產(chǎn)，如用酒曲造酒釀醋。
生物酶也是催化劑，相比酶是特殊的蛋白質(zhì)，更具特性：一是高效性，常溫下它可以成百上千倍的提高反應速率。二是專一性，一種酶只控作用一種化學反應，對其他不產(chǎn)生作用。三是固定的作用條件，酶是蛋白質(zhì)，劇烈條件下易于變性而失活，所以酶的高效必須在一定的PH、溫度等溫和的條件下才能發(fā)揮，強酸、強堿、重金屬鹽、高溫、紫外線、劇烈震蕩等任何使蛋白質(zhì)變性的理化因素都可能使酶變性而失去其催化活性。
催化劑是化學研究中的永久的主題。催化是自然界存在的進行催化化學反應的特殊作用，生物體內(nèi)產(chǎn)生的化學反應均借助于酶催化。自從人們發(fā)現(xiàn)酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)以來，已有200多種酶提純，并對其作用機制也有了一定的了解。70年代初期興起的酶工程技術(shù)已在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域顯示了他的生命力，而基因工程的出現(xiàn)又進一步拓寬了酶工程的應用范圍。生物催化如此定向、如此精確地進行著，至今人們還難于模擬酶催化的反應。只要有化學反應，就有如何加快反應速度的問題，就會有催化劑的研究。在化工生產(chǎn)（如石油化工、天然氣化工、煤化工等）、能源、農(nóng)業(yè)（光合作用等）、生命科學、醫(yī)藥等領(lǐng)域均有催化劑的作用和貢獻。
《化學課程標準》要求：作為科學教育的重要組成部分，新的化學課程倡導從學生和社會發(fā)展的需要出發(fā)，發(fā)揮學科自身的優(yōu)勢，恰當設(shè)計實驗，將科學探究作為課程改革的突破口，激發(fā)學生的主動創(chuàng)新意識，促使學生積極主動地學習，使學習化學知識和技能的過程也成為理解化學、進行科學探究、聯(lián)系社會生活實際和形成科學價值觀的過程。在研究性活動中，教師還注重在關(guān)鍵時刻給予學生鼓勵性評價，激發(fā)學生不斷追求新的發(fā)現(xiàn)。并讓學生體驗創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的樂趣。整個活動體現(xiàn)了引導學生“合作、自主、探究”學習的新課程理念。
所以在中學教學中的不同階段，準確把握催化劑概念，適當拓展，是十分必要的。![]()
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陳文召
河南省西平縣教師進修學校
無論是在初學化學還是在高中化學中，都涉及催化劑問題，許多化學反應都需要催化劑，催化劑不僅是化學的一個十分重要的概念和知識點，目前現(xiàn)代化學工業(yè)也正在朝著材料和能源方向發(fā)展，這就決定了化學催化劑的作用越來越大，比如工業(yè)合成氨是在高溫、高壓、鐵觸媒催化條件下進行的，而生物固氮是在常溫常壓下進行的，有機和生化反應中應用催化劑的更多。目前催化劑已經(jīng)成為一門學科。因此教學中幫助學生準確把握和理解這個概念是非常重要的。不僅如此，還要運用好這個知識點，培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新意識、研究探究能力。
對于催化劑的概念，不同的教材版本有不同的描述，人教版的定義是：在化學反應前后能改變化學反應的速率，但本身的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)都沒有改變的物質(zhì)，叫這個反應的催化劑。現(xiàn)在滬教版的定義把人教版定義中的“改變”換成“加快”，為此還頗有一番爭議。
初中化學課程標準中的要求是：認識催化劑的重要作用。初中學生剛接觸化學，只要求簡單認識了解一些簡單常見的化學現(xiàn)象、常見元素及其物質(zhì)的性質(zhì)、用途、實驗室制備等方面知識，從新課程標準出發(fā)，筆者認為對這個概念的基本要求是：通過實驗，讓學生自然形成催化劑的概念，在此基礎(chǔ)上進一步了解催化劑的應用，而不能引申和拔高。以前使用的人教版的教材是通過氯酸鉀受熱分解制取氧氣的實驗引出催化劑概念的。不妨用三個實驗對比來說明問題：
實驗一：把少量的二氧化錳和氯酸鉀混合物放在試管里加熱片刻，用帶余燼的木條插入管口，木條復燃，說明有氧氣產(chǎn)生。
實驗二：把少量氯酸鉀放在試管里加熱片刻，用帶余燼的木條插入管口，木條不燃，說明沒氧氣產(chǎn)生。在加熱幾分鐘，看到氯酸鉀融化，有少量氣泡，用帶余燼的木條插入管口，木條復燃，說明有氧氣產(chǎn)生。
實驗三：把少量的二氧化錳放在試管里加熱片刻，用帶余燼的木條插入管口，木條沒有復燃，說明沒有氧氣產(chǎn)生。
以上三個實驗說明二氧化錳具有使氯酸鉀在較低溫度下迅速反應放出氧氣的本領(lǐng)。從而引出催化劑的概念：這種在化學反應里能改變其他物質(zhì)的反應速率，而本身的性質(zhì)在放入前后都沒有變化的物質(zhì)叫催化劑。滬教版教材在講催化劑概念時，改用二氧化錳催化雙氧水溶液分解來制取氧氣的實驗，原因是：一是對二氧化錳是不是氯酸鉀分解反應的催化劑人們還有爭議，因為反應中生成有紅色物質(zhì)；二是二氧化錳催化分解雙氧水的反應環(huán)保，現(xiàn)象明顯。
筆者也曾在初中化學課教學課堂上通過實驗、對比、觀察、分析、總結(jié)、歸納，引出催化劑的概念，但必須把握準確定義要點，就是“改變”或“加快”其他物質(zhì)的反應速度而自身的質(zhì)量和性質(zhì)都沒有改變。因為學生是初次認知此概念，筆者認為用“加快”更直觀些。課堂上學生會問為什么，我當時用了一個簡單的比喻：俗話說無中間人事不成，就像人介紹對象，經(jīng)媒婆三言兩語成了，媒婆有特殊的本能或者說話技巧，至于哪些物質(zhì)可以做催化劑，它們又是怎樣促進反應的，留待以后我們深入學習，有興趣的同學可以查查資料，老師幫你解決。
在高中教學實踐中，在做分組實驗時筆者把學生分成五個組：一組做[實驗１]和[實驗２]，二組做[實驗３]，三組做二氧化錳催化雙氧水溶液分解制氧氣的實驗，四組做氧化銅催化雙氧水溶液分解實驗，五組做氧化鎂催化雙氧水溶液分解實驗。通過觀察、對比、引導學生分析歸納出以下結(jié)論：一是催化劑加快了其他物質(zhì)的反應速度而自身的質(zhì)量和性質(zhì)在反應前后不變，但狀態(tài)可能改變。二是催化劑可能參與了反應，[實驗３]中看出反應物顏色改變和二氧化錳顆粒狀態(tài)的改變說明二氧化錳可能參與了反應。三是一種反應的催化劑可能不止一種，可以在同類型物質(zhì)中尋找。
相比高中教學對催化劑概念的要求標準就要高多了，而且隨著學習的深入對催化劑概念理解也在不斷加深、拓展。教師首先要全面、準確把握概念的內(nèi)涵和外延。
首先準確定義概念。這里再用“加快”之詞就是原則性錯誤了。
從催化劑的反應機理上分析，人們認為催化劑本身和反應物一起參加了化學反應，催化劑降低了反應的活化能。催化反應是由于形成了很容易分解的“中間產(chǎn)物”，分解時催化劑恢復了原來的化學組成，原反應物就變成了生成物，所以說催化劑參與了化學反應。有些催化反應是利用表面吸附作用，這是一個物理過程，如合成氨用的鐵觸媒，吸附作用僅能在催化劑表面最活潑的叫做活性中心的區(qū)域進行。有些反應過程中催化劑增大了反應的活化能，催化劑就起到減慢反應速率的作用。當然有機化學中的化學反應需要催化劑的機理更復雜。
從催化劑的應用看。以前將催化劑分成了兩類：使化學反應加快的催化劑，叫做正催化劑；使化學反應減慢的催化劑，叫做負催化劑。其實在日常生活中，絕大多數(shù)的催化劑都是加快反應的速率。當然也有很多的在起減緩反應的速率的作用，最熟悉的正催化劑例子，就是二氧化錳在氯酸鉀受熱分解中起催化作用的那個實驗，二氧化錳在實驗中就是正催化劑。為了防止食用油脂的酸敗，通常要加入０.０１％－０.０２％的沒食子酸正丙脂，在這里，沒食子酸正丙脂就是阻化劑。但就其原理都是消耗了所謂的催化劑，用一種與其中一種反應物反應更快的物質(zhì)替代了另一種反應物，并不是真正的催化劑，因為反應前后的質(zhì)量和化學性質(zhì)都發(fā)生了改變。因此這種“負催化劑”在反應中是消耗的，所以現(xiàn)在多改用其他名稱了，如阻制劑。
國際純粹化學及應用化學聯(lián)合建議(1997年)的定義是：存在較少量就能顯著地加速反應而其本身最后并無損耗的物質(zhì)稱為該反應的催化劑。
催化劑在化學反應中的作用是改變化學反應途徑來改變速度的，并不是說沒有催化劑化學反應就不能進行，更不可能提高反應后產(chǎn)品的總產(chǎn)量。還是拿氯酸鉀受熱分解的反應來說吧！如果不加催化劑，氯酸鉀在高溫至融化時也能分解，而且分解后所得物質(zhì)質(zhì)量，和加了催化劑后分解所得物質(zhì)質(zhì)量（除去催化劑質(zhì)量）是一樣的！
根據(jù)催化劑的物理和化學性質(zhì)，可將其分為以下幾類。
1.多相催化，這類催化劑是固體材料如分子篩、金屬、金屬氧化物、硫化物等。催化反應發(fā)生在固、氣相的界面上，大部分化學工業(yè)流程均為多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。
2.均相催化，這類催化劑通常是含有金屬的復雜分子，催化反應在氣相或液相中進行。催化劑和反應物均溶解于氣相和液相中，如烴烯聚合。
3.光催化吸收光能促進化學反應，如光合作用。
4.電催化利用化學方法使電極表面具有催化活性。
5.酶催化和仿酶催化，酶是一種高分子蛋白質(zhì)，生物的各種生理過程都是在酶控制下進行的，同時酶也可用于工業(yè)生產(chǎn)，如用酒曲造酒釀醋。
生物酶也是催化劑，相比酶是特殊的蛋白質(zhì)，更具特性：一是高效性，常溫下它可以成百上千倍的提高反應速率。二是專一性，一種酶只控作用一種化學反應，對其他不產(chǎn)生作用。三是固定的作用條件，酶是蛋白質(zhì)，劇烈條件下易于變性而失活，所以酶的高效必須在一定的PH、溫度等溫和的條件下才能發(fā)揮，強酸、強堿、重金屬鹽、高溫、紫外線、劇烈震蕩等任何使蛋白質(zhì)變性的理化因素都可能使酶變性而失去其催化活性。
催化劑是化學研究中的永久的主題。催化是自然界存在的進行催化化學反應的特殊作用，生物體內(nèi)產(chǎn)生的化學反應均借助于酶催化。自從人們發(fā)現(xiàn)酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)以來，已有200多種酶提純，并對其作用機制也有了一定的了解。70年代初期興起的酶工程技術(shù)已在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域顯示了他的生命力，而基因工程的出現(xiàn)又進一步拓寬了酶工程的應用范圍。生物催化如此定向、如此精確地進行著，至今人們還難于模擬酶催化的反應。只要有化學反應，就有如何加快反應速度的問題，就會有催化劑的研究。在化工生產(chǎn)（如石油化工、天然氣化工、煤化工等）、能源、農(nóng)業(yè)（光合作用等）、生命科學、醫(yī)藥等領(lǐng)域均有催化劑的作用和貢獻。
《化學課程標準》要求：作為科學教育的重要組成部分，新的化學課程倡導從學生和社會發(fā)展的需要出發(fā)，發(fā)揮學科自身的優(yōu)勢，恰當設(shè)計實驗，將科學探究作為課程改革的突破口，激發(fā)學生的主動創(chuàng)新意識，促使學生積極主動地學習，使學習化學知識和技能的過程也成為理解化學、進行科學探究、聯(lián)系社會生活實際和形成科學價值觀的過程。在研究性活動中，教師還注重在關(guān)鍵時刻給予學生鼓勵性評價，激發(fā)學生不斷追求新的發(fā)現(xiàn)。并讓學生體驗創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的樂趣。整個活動體現(xiàn)了引導學生“合作、自主、探究”學習的新課程理念。
所以在中學教學中的不同階段，準確把握催化劑概念，適當拓展，是十分必要的。
