數(shù)學(xué)北師大版一年級(jí)上冊(cè)可愛的學(xué)校

化學(xué)反應(yīng)的 變速器 一 因催化劑而爆發(fā)的世界大戰(zhàn) 第一次世界大戰(zhàn)因催化劑而打響 這話聽起來(lái) 似乎就和春晚小品里說(shuō)的 美國(guó)攻打伊拉克 是因?yàn)樗_ 達(dá)姆偷了布什家的高壓鍋 一樣荒誕 歷史課本不是早就告訴我們 歷時(shí) 4 年多 波及全世界的第一次世 界大戰(zhàn) 是帝國(guó)主義國(guó)家之間為瓜分世界 爭(zhēng)奪殖民地和霸權(quán)而進(jìn)行的戰(zhàn)爭(zhēng) 世界大戰(zhàn)與催化劑 聽起 來(lái)風(fēng)馬牛不相及嘛 但這并非空穴來(lái)風(fēng) 第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)和進(jìn)程 與催化劑的確有著緊密的聯(lián)系 這還得從一個(gè)人說(shuō)起 他就是德國(guó)物理化學(xué)家 合成氨的發(fā)明者 弗里茨 哈伯 Fritz Haber 翻開諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的長(zhǎng)卷 你一定會(huì)馬上就找到弗里茨 哈伯 哈伯因在合成氨研究中做出的杰出貢獻(xiàn) 而獲得 1918 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 眾所周知 諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)是獎(jiǎng)勵(lì)那些在自然科學(xué)研究中對(duì)人類做出重大貢 獻(xiàn)的人 那么 究竟什么是合成氨呢 合成氨對(duì)人類又有什么重要的意義呢 19 世紀(jì)末 隨著世界人口數(shù)量的快速增長(zhǎng) 對(duì)糧食的需求量也日趨增大 怎樣在有限的耕地上生產(chǎn)出更 多的糧食 成為橫亙?cè)谌藗兠媲暗囊粋€(gè)現(xiàn)實(shí)的難題 科學(xué)家們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn) 給土地施含有氮的肥料 也就是我們通常所說(shuō)的氮肥 能有效地增加糧食產(chǎn)量 而同時(shí) 隨著各國(guó)軍事的發(fā)展 對(duì)炸藥的需 求越來(lái)越大 在當(dāng)時(shí) 生產(chǎn)炸藥需要消耗大量的硝酸 一種含氮的酸 說(shuō)到氮 你一定不會(huì)陌生 時(shí)刻充斥在你周圍的空氣中就有它的身影 空氣中有 78 是氮?dú)?看來(lái) 人 們不必為生產(chǎn)化肥和炸藥的 糧食 而發(fā)愁了 但事情并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單 空氣中的氮?dú)夥浅７€(wěn)定 是個(gè) 老 頑固 很難和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng) 自然也就很難變成人們需要的化肥和炸藥了 通常只有在打雷閃電的 時(shí)候 少量氮?dú)獠艜?huì) 羞答答 地和空氣中的另一成分 氧氣發(fā)生反應(yīng) 生成一氧化氮 再經(jīng)過(guò)一系列的 變化變成氮肥 隨著雨水落到土壤中 這也就是農(nóng)諺 雷雨發(fā)莊稼 所蘊(yùn)涵的科學(xué)道理 一年當(dāng)中 打雷 的日子不會(huì)很多 靠天吃飯 不是回事 幸好 自然界中還有大量含氮的礦物 如硝石 這些含氮礦物都 能用于工業(yè)生產(chǎn)氮肥和火藥 因此 在 19 世紀(jì) 出于生產(chǎn)化肥和炸藥的大量需求 硝石成為了一種非常 緊俏而重要的戰(zhàn)略物資 但老天爺似乎不太公平 因?yàn)橄跏谑澜缟系姆植疾⒉痪?南美洲的智利是當(dāng)時(shí)硝石的主要產(chǎn)地 史 稱智利硝石 而對(duì)硝石有巨大需求的歐洲 本身并不出產(chǎn) 只能靠大量的進(jìn)口 一方面 硝石礦的蘊(yùn)藏 量有限 而需求卻在以很快的速度增長(zhǎng) 另一方面 對(duì)于空氣中近乎于取之不盡的氮資源 人們卻不能 加以利用 這實(shí)在是很可惜的事 于是 各國(guó)科學(xué)家紛紛致力于研究利用空氣中的氮?dú)馍a(chǎn)氮肥和炸藥 的方法 而其中最關(guān)鍵的一步 就是使極其不活潑的氮?dú)馔ㄟ^(guò)一定的化學(xué)方法 變成氮的某種簡(jiǎn)單化合 物 這在工業(yè)上稱為 人工固氮 即將空氣中 飄忽不定 的氮 固定 下來(lái) 合成氨就是最重要的一種人工 固氮方法 作為一名優(yōu)秀的化學(xué)家 哈伯也一直將人工固氮作為自己的一個(gè)研究課題 1905 年 哈伯在赴美國(guó)考察 后 回國(guó)采用了在高壓下放電進(jìn)行固氮的研究 即模擬閃電時(shí)氮?dú)馀c氧氣的反應(yīng) 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了約一年 但效果不很理想 不過(guò) 這點(diǎn)小失敗并未使哈伯灰心和放棄 當(dāng)然 固氮并非只有氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)這 華 山一條路 在參考了其他科學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)后 哈伯轉(zhuǎn)而研究氫氣和氮?dú)獾姆磻?yīng) 氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)能生成氨 氨是一種有刺激性氣味的氣體 是氮的一種重要的化合物 但由于氮?dú)鈽O不活潑的 脾氣 氫氣與氮?dú)獾?反應(yīng)也很難進(jìn)行 為了使氫氣與氮?dú)饽芊磻?yīng) 科學(xué)家們嘗試了大量的方法 但大量的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí) 即 使在很高的溫度和很大的壓強(qiáng)下 氫氣與氮?dú)獾姆磻?yīng)也是極其緩慢的 根本達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)的要求 打 個(gè)比方 就好像嚴(yán)重堵塞的水龍頭 滴了一天的水還不夠一個(gè)人喝的 哈伯意識(shí)到 必須尋找到一種物質(zhì) 能夠使氫氣與氮?dú)獾姆磻?yīng)加快速度 使 滴水 的水龍頭變成 嘩嘩流 水 的水龍頭 終于 在歷經(jīng)無(wú)數(shù)次失敗后 1909 年 哈伯在實(shí)驗(yàn)室采用 600 200 個(gè)大氣壓和用金屬 鋨作催化劑的條件下 大大提高了合成氨反應(yīng)的速度 當(dāng)然 有了催化劑 距離實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還有很 長(zhǎng)的一段路要走 于是 哈伯又同化工專家波施以及其他科研人員一起 對(duì)數(shù)千種不同配方的催化劑進(jìn) 行實(shí)驗(yàn) 終于制得了比鋨價(jià)格低而催化效率更高的高效鐵催化劑 同時(shí)解決了如高溫氫氣對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的 腐蝕等一些合成氨實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)難題 1911 年 德國(guó)建成世界上第一座日產(chǎn) 30 噸合成氨的工廠 這是人工固氮技術(shù)的重大成就 是催化劑在化學(xué)研究和化工生產(chǎn)中的勝利 1914 年 第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前 德國(guó)已經(jīng)設(shè)計(jì)建造完成多家合成氨工廠 并投入生產(chǎn) 工廠源源不斷 地提供著制造化肥和炸藥的原料 而且 當(dāng)時(shí)只有德國(guó)掌握了合成氨技術(shù) 德皇威廉二世認(rèn)為 只要能 源源不斷地生產(chǎn)出氨和硝酸 德國(guó)的糧食和炸藥供應(yīng)就有保證 即使斷了硝石供應(yīng)也沒(méi)有問(wèn)題 這也更 加堅(jiān)定了威廉二世開戰(zhàn)的決心 與此同時(shí) 已經(jīng)覺(jué)察到德國(guó)有發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)傾向的外國(guó)首腦和軍事專家 由 于不知道德國(guó)已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了氨的合成 從而輕易地認(rèn)為只要切斷硝石的供應(yīng) 德國(guó)就無(wú)法生產(chǎn)炸藥 甚至在戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后 他們還簡(jiǎn)單地認(rèn)為由于硝石的短缺 大戰(zhàn)將很快結(jié)束 事實(shí)完全相反 而這其中留 給后人的教訓(xùn)也是慘痛的 當(dāng)然 如果因此而將第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)的罪惡根源歸咎于合成氨和催化劑 歸咎于哈伯 則是毫無(wú)道 理的 這就好像刀可以用來(lái)殺人 但造刀的人并非是持刀殺人犯的幫兇 而另一方面 合成氨推動(dòng)了化 肥工業(yè)及其他工業(yè)的迅猛發(fā)展 帶給人類的好處也是不可估量的 正因此 1918 年 因戰(zhàn)爭(zhēng)中斷 2 年后 恢復(fù)評(píng)選的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了哈伯 哈伯的合作者波施也因在合成氨的工業(yè)化中作出的貢獻(xiàn)而在 1931 年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 二 慢性子 與 急脾氣 現(xiàn)在 你可能已經(jīng)對(duì)催化劑和催化作用有一定的認(rèn)識(shí)了 是的 催化劑就是那些能改變化學(xué)反應(yīng)速度的 物質(zhì) 而催化劑所起的作用就稱之為催化作用 在氮?dú)夂蜌錃夂铣砂钡姆磻?yīng)中 鐵就是催化劑 能加快 合成氨反應(yīng)的速度 生活中我們經(jīng)常遇到這樣的情況 有的人是急脾氣 做起事來(lái)風(fēng)風(fēng)火火 恨不得一下子把全部事情都做 完 有的人則是慢性子 做起事來(lái)慢條斯理 經(jīng)常拖拖拉拉的 不過(guò) 當(dāng)碰到的事情十萬(wàn)火急 已經(jīng) 火 燒眉毛 了 只怕慢性子也會(huì)變成急脾氣 打個(gè)比方 我們可以把這個(gè)迫在眉睫的事情看作是一個(gè) 催化劑 它使得原本那些做事 緩慢 的人變得 急速 起來(lái) 從而 加快 了辦事的速度 危機(jī)關(guān)頭 手無(wú)縛雞之力 的人也會(huì)變得勇猛異常 這也是一種 催化作用 吧 催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中的用途是極其廣泛的 除了合成氨外 還有很多工業(yè)生產(chǎn)中也要用到催化劑 例如 硫酸的生產(chǎn) 硫酸是一種極其重要的工業(yè)原料 生產(chǎn)硫酸中有一步重要的反應(yīng) 二氧化硫氧化生成三 氧化硫 二氧化硫氧化成三氧化硫后再用水吸收 就能得到硫酸 二氧化硫的氧化在硫酸工業(yè)上稱為 催 化氧化 即在一種催化劑 五氧化二礬 的幫助下進(jìn)行的氧化反應(yīng) 可想而知 如果沒(méi)有五氧化二礬的 催化作用 那么二氧化硫的氧化將是很緩慢的 五氧化二礬的催化作用能大大提高二氧化硫氧化反應(yīng)的 速度 能在同樣的時(shí)間里得到更多的三氧化硫 從而提高了單位時(shí)間內(nèi)硫酸的產(chǎn)量 有趣的是 依靠催 化劑生產(chǎn)得到的硫酸 其本身也是一種常用的催化劑 不過(guò) 急脾氣 也不一定就比 慢性子 要好 生活中 急脾氣 往往容易心急慌忙 粗枝大葉 化學(xué)上也 是一樣的 有的時(shí)候 化學(xué)反應(yīng)的速度太快了也不好 對(duì)于某些特定的反應(yīng) 人們希望它進(jìn)行得越慢越 好 比如鋼鐵的生銹 鋼鐵容易生銹而被腐蝕 其實(shí)質(zhì)是鐵和空氣中的氧氣發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng) 有 些鋼鐵制品用不了多長(zhǎng)時(shí)間就銹跡斑斑 不僅影響美觀 而且會(huì)導(dǎo)致鋼鐵制品變得疏松 失去了原有的 機(jī)械強(qiáng)度 為此 科學(xué)家們想了很多辦法防止鋼鐵被腐蝕 常用的一種方法是加入緩蝕劑 減緩鋼鐵生 銹的速度 注意 這里的作用不是 加快 化學(xué)反應(yīng)的速度 而是 減緩 化學(xué)反應(yīng)的速度 又比如 橡膠 制品在生活中應(yīng)用很廣 但橡膠制品容易老化 老化的橡膠失去了彈性而容易折斷 在橡膠制品中加入 一些防老化劑 可以減慢橡膠老化反應(yīng)的速度 使橡膠制品更耐用 日常炒菜等使用的食用油 如果儲(chǔ) 存不當(dāng)或放置比較長(zhǎng)的時(shí)間 就容易發(fā)生 酸敗 而顏色變深 變得混濁 并產(chǎn)生一種難聞的哈喇味 使用 酸敗的食用油炒菜 不僅味道變差 營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低 食用后還可能引起惡心 嘔吐 腹瀉等癥狀 危害 身體健康 如果在食用油里加入少量的沒(méi)食子酸正丙酯 就可以有效地減緩 酸敗 在這里 沒(méi)食子酸正 丙酯是一種抑制劑 可以減慢油脂 酸敗 反應(yīng)的速度 像緩蝕劑 防老化劑 抑制劑這樣一類的物質(zhì)也屬 于催化劑 化學(xué)上將其稱為 負(fù)催化劑 現(xiàn)在 我們提到的 催化劑 和 催化作用 一般指的都是使化學(xué)反應(yīng)速度加快 而對(duì)于那些使化學(xué)反應(yīng)速 度減小的 催化劑 則通常用 阻化劑 等名稱來(lái)替代 尤其是在現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中 使用的催化劑基 本上都是為增大反應(yīng)速度的 其實(shí) 不管是 加快 速度 還是 減緩 速度 都是催化劑的看家本領(lǐng) 如今 無(wú)處不在的催化劑融入了人 們?nèi)粘Ｉa(chǎn) 生活的各個(gè)方面 成為我們不可缺少的好幫手 三 從 鉑懷爐 取暖說(shuō)起 冬天天氣寒冷 人們常常需要能夠提供熱量的取暖設(shè)備 從原始人披著獸皮生火取暖 到現(xiàn)在空調(diào) 取 暖器 電手爐等各種各樣的取暖設(shè)備琳瑯滿目 應(yīng)有盡有 取暖設(shè)備的發(fā)展從一個(gè)方面反映了人們生活 水平的提高 當(dāng)然 現(xiàn)在用的取暖設(shè)備大多數(shù)都是用電的 即將電能轉(zhuǎn)化成熱能 電的大規(guī)模使用不過(guò) 一百多年 那么 在電并不普及的年代 人們?nèi)绾稳∨?19 世紀(jì)時(shí) 在歐洲的冬天 小姐和貴婦人們?yōu)榱顺鱿鞣N社交活動(dòng) 常要乘坐馬車趕好多路 馬車?yán)锊?像家里 能用壁爐燃煤取暖 而那時(shí)也還沒(méi)有什么電手爐之類的取暖設(shè)備 為使她們能在乘車途中不至 于受凍 能夠隨身攜帶的供取暖用的 鉑懷爐 便應(yīng)運(yùn)而生 直到今天 仍然有很多人選擇用 鉑懷爐 在冬 天取暖 鉑就是白金 是一種貴重的金屬 有銀白色的光澤 常用于制造各種首飾 但你如果認(rèn)為用 鉑 做懷爐只是為了美觀 漂亮 體現(xiàn)身價(jià) 那你可就大錯(cuò)特錯(cuò)了 不知你是否吃過(guò)暖鍋 冬天 在飯店里吃飯 有些菜是用暖鍋盛的 一邊吃 一邊下面在加熱 這樣即 使吃較長(zhǎng)時(shí)間菜也不會(huì)涼 在暖鍋下面用于加熱的通常是塊狀的 固體酒精 酒精燃燒能提供大量的熱量 是一種常用的燃料 在 鉑懷爐 中 提供熱量的物質(zhì)也是酒精 鉑懷爐 等于 暖鍋 這可有點(diǎn)可怕 懷 里揣著個(gè)小火爐 衣服被燒壞不用說(shuō) 人還不得被燒傷啊 其實(shí)你不用害怕 鉑懷爐 其實(shí)很安全 在 鉑懷爐 中 酒精靠人體的體溫緩緩揮發(fā)成酒精蒸氣 在金屬鉑的催化作用下 酒精蒸氣無(wú)須點(diǎn)燃便可以 與氧氣發(fā)生反應(yīng) 產(chǎn)生熱量 而這一氧化過(guò)程并不產(chǎn)生火焰 可以稱之為 無(wú)焰燃燒 鉑能夠?qū)凭难?化反應(yīng)起催化作用 這是 1820 年英國(guó)化學(xué)家戴維發(fā)現(xiàn)的 當(dāng)然 如果在燃燒著的酒精中插進(jìn)一根鉑絲 由于鉑的催化作用 酒精將燃燒得更加劇烈 同樣是因?yàn)榫凭c氧氣反應(yīng)的速度加快了 迅速產(chǎn)生的 熱量累積起的高溫能使鉑絲達(dá)到熾熱的程度 發(fā)出很亮的光 想當(dāng)年 戴維就制作了這樣一種鉑絲酒精 燈 用它來(lái)照明 這種燈在歐洲風(fēng)行了許多年 在我們的日常生產(chǎn) 生活中 通過(guò)催化作用實(shí)現(xiàn)的 無(wú)焰燃燒 具有十分重要的意義 它提供了一種安全的 燃燒 方式 因?yàn)椴划a(chǎn)生火焰 沒(méi)有明火 不會(huì)因?yàn)槭褂貌簧鞫劤苫馂?zāi) 同時(shí) 它能讓燃料在較低溫度 甚至是常溫 下實(shí)現(xiàn)氧化供熱 夏天為了驅(qū)趕蚊子 人們常使用電蚊香片 通過(guò)電加熱 使電蚊香片中的有效成分緩緩釋放出來(lái) 達(dá)到 驅(qū)蚊的效果 而對(duì)于一些無(wú)法用電或者用電不方便的地方 專家們?cè)O(shè)計(jì)了一種無(wú)焰燃燒加熱滅蚊器 這 種滅蚊器使用了一種催化劑 通過(guò)催化作用 使煤油等燃料在較低的溫度下進(jìn)行無(wú)焰燃燒 用無(wú)焰燃燒 產(chǎn)生的熱量加熱蚊香片 使用 20 毫升煤油 加熱器便可以持續(xù)加熱 10 12 小時(shí) 真是既經(jīng)濟(jì)又方便 催化劑是怎樣 工作 的 早在 20 世紀(jì)初期 面對(duì)大量客觀存在的催化現(xiàn)象和催化反應(yīng) 科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到 深入地研究催化現(xiàn)象以 及催化過(guò)程的原理 并由此研制出更多高效的催化劑 對(duì)于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展和化學(xué)科學(xué)的進(jìn)步 具有十 分重要的積極意義 一 催化劑是怎樣 工作 的 在發(fā)現(xiàn)了催化劑的神奇作用后 科學(xué)家們就一直致力于對(duì)催化作用的原理進(jìn)行研究 對(duì)催化作用實(shí)質(zhì)的 認(rèn)識(shí) 不僅有助于人們完善催化理論 更重要的是在實(shí)踐中幫助人們尋找更高效率 更廉價(jià) 更易獲得 或制得的催化劑 改進(jìn) 改善許多化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 催化反應(yīng)的原理 也就是關(guān)于催化劑是怎樣 工作 的 是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題 甚至有些疑問(wèn)目前還沒(méi)有 完全弄清楚 或者是科學(xué)家尚未達(dá)成共同的認(rèn)識(shí) 當(dāng)然 這并不意味著催化反應(yīng)是不可認(rèn)識(shí)的 要討論催化劑的 工作原理 我們還得先來(lái)初步認(rèn)識(shí)一下物 質(zhì)的構(gòu)成和物質(zhì)的化學(xué)變化 科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn) 世界上的物質(zhì)都是由極其微小的微粒 原子 分子 離子等構(gòu)成的 正是這些微 粒構(gòu)成了我們這個(gè)物質(zhì)世界 構(gòu)成物質(zhì)世界的微粒是在不停運(yùn)動(dòng)著的 即使是外表看起來(lái)靜止的東西 如平穩(wěn)放置在桌面上的一杯水 其構(gòu)成微粒 水分子 也是在不停運(yùn)動(dòng)著的 英國(guó)科學(xué)家布朗曾做過(guò) 一個(gè)著名的布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中觀察到 懸浮在水面上的花粉等小顆粒在不停地做著無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng) 人們把它稱為布朗運(yùn)動(dòng) 它直觀地說(shuō)明水分子在不停地做著無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng) 科學(xué)家們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn) 各種不同的化學(xué)反應(yīng)的速度是不相同的 有些化學(xué)反應(yīng)的速度很快 在 一瞬間就能完成 例如炸藥的爆炸 炸藥在點(diǎn)燃瞬間急速燃燒 在極短的時(shí)間內(nèi) 相對(duì)封閉的空間里產(chǎn) 生大量氣體 導(dǎo)致了爆炸的發(fā)生 爆炸反應(yīng)的速度是相當(dāng)快的 而有些化學(xué)反應(yīng)速度卻很慢 如前面講 的合成氨反應(yīng) 即使在高溫高壓下 這一反應(yīng)也是進(jìn)行得極其緩慢的 那么 究竟是什么導(dǎo)致了化學(xué)反 應(yīng)速度的差異呢 在徹底弄清這個(gè)問(wèn)題之前 你還得耐心聽我講一個(gè)故事 這是一個(gè)現(xiàn)代版的 愚公移山 的故事 有一個(gè)偏僻的村莊 住著幾百戶人家 村莊被崇山峻嶺所包圍 只有一條山路可以通往村外 由于走這 條山路要翻過(guò)一座極高的山峰 因此一直以來(lái) 村子里只有那些年富力強(qiáng) 身體素質(zhì)很好的年輕人才能 出村去 一天 村子里一個(gè)名為 愚公 很巧 他也叫愚公 的老人說(shuō) 村子里的老人 小孩都無(wú)法翻 過(guò)那座山峰 這樣下去可不行 我得想辦法讓更多的人能出村去 愚公的鄰居聽說(shuō)了 跑來(lái)勸他 你 別傻了 你難道還想像那個(gè) 愚公 一樣把山挖平嗎 這太不現(xiàn)實(shí)了 愚公 笑笑 回答道 與其在這里 灰心喪氣地發(fā)牢騷 還不如切切實(shí)實(shí)地想些辦法 挖山顯然不行 不過(guò) 我相信挖一條山路總是可以的 于是 愚公帶領(lǐng)著家人 在村子西頭一座相對(duì)較低的山上開挖山路 工夫不負(fù)有心人 幾個(gè)月后 山 路終于開挖完成 從此 村里的村民不必再翻越那座對(duì)多數(shù)人而言高不可及的山峰 而只需順山路走過(guò) 那座較低的山就能出村 而由此 更多的體力不那么好的村民也能得以出村 鑒于他為村民們作出的偉 大功績(jī) 愚公 被大家稱為 當(dāng)代愚公 這個(gè) 當(dāng)代愚公 的辦法 與催化劑為什么能夠加快化學(xué)反應(yīng)速度的原理其實(shí)是類似的 科學(xué)家們認(rèn)為 化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行的先決條件是反應(yīng)物分子間必須發(fā)生碰撞 不過(guò) 并不是反應(yīng)物分子 間的每一次碰撞都會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 事實(shí)上 一般情況下只有少數(shù)的碰撞會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)的發(fā)生 而更多數(shù) 的碰撞并不發(fā)生反應(yīng) 是無(wú)效的 科學(xué)家們把能發(fā)生反應(yīng)的碰撞稱之為有效碰撞 能發(fā)生有效碰撞的分 子的能量要比一般分子的能量高 這些能量較高的 碰撞時(shí)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的分子稱為活化分子 就好 比那些原先就能翻越高山而出村的年輕人 科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn) 在一定溫度下 活化分子百分?jǐn)?shù)越大 即所有分子中活化分子所占的比例越大 化學(xué)反應(yīng)的速度就越大 化學(xué)反應(yīng)就進(jìn)行得快 反之 活 化分子百分?jǐn)?shù)越小 即所有分子中活化分子所占的比例越小 化學(xué)反應(yīng)的速度就越小 化學(xué)反應(yīng)就進(jìn) 行得慢 活化分子的能量高于非活化分子 科學(xué)家們把活化分子的平均能量與所有分子的平均能量的差值 稱為 活化能 由此我們可以想見 在一定溫度下 如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的活化能越大 則意味著活化分子百分 數(shù)就越小 設(shè)想 如果山越高的話 那么翻越過(guò)這座山所需花費(fèi)的精力和體力就越大 很顯然 能翻越 過(guò)山的人就越少 其結(jié)果是這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的速度就越小 反之亦然 要加快化學(xué)反應(yīng)速度 很顯然必須要增大活化分子百分?jǐn)?shù) 最常用的辦法之一是升高溫度 溫度升高后 分子具有的平均能量增大了 溫度越高微粒運(yùn)動(dòng)速度越快 使得更多的分子能越過(guò) 分界線 而成為 活 化分子 于是活化分子百分?jǐn)?shù)增大了 這就是為什么升高溫度能增大化學(xué)反應(yīng)速度的原因 這就相當(dāng) 于給村民進(jìn)行身體素質(zhì)訓(xùn)練 使得村民們具有更充沛的體能 于是更多的村民能越過(guò)高山 要增大活化分子百分?jǐn)?shù) 除了升高溫度以外 還有其他辦法嗎 你不必絞盡腦汁 因?yàn)?愚公 已經(jīng)找到了 解決辦法 在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中 使用了催化劑后 能有效地降低化學(xué)反應(yīng)的活化能 從而增大活化分子 百分?jǐn)?shù) 顯著地加快了化學(xué)反應(yīng)的速度 這就相當(dāng)于愚公的 另辟蹊徑 開掘了一條從較低山上通過(guò)的 山路 于是更多體能較差的人也能翻越而過(guò) 所以 我們不難發(fā)現(xiàn) 催化劑使化學(xué)反應(yīng)速度加快的根本原因是催化劑能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能 增大 活化分子百分?jǐn)?shù) 最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速度的增大 其實(shí) 類似的例子在我們生活中比比皆是 在一次期中考試中 班級(jí)里大部分同學(xué)都不及格 只有少數(shù) 平時(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生才考及格 那么 在期末考試時(shí) 要想讓更多的同學(xué)能夠考及格 類似于增大 活化分子百分?jǐn)?shù) 一個(gè)辦法是通過(guò)大量補(bǔ)習(xí)和復(fù)習(xí) 使學(xué)生們對(duì)知識(shí)掌握的水平能夠提高 類似于升 高溫度 從而更多的人能順利通過(guò)考試 另一個(gè)辦法則更簡(jiǎn)單 只要期末考試試卷出得簡(jiǎn)單些就行了 類似于使用催化劑后降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能 這樣也能保證更多的學(xué)生能考及格 你看 催化反 應(yīng)并不神秘 其實(shí) 很多科學(xué)現(xiàn)象所蘊(yùn)涵的科學(xué)道理和知識(shí) 是和我們生活中的許多經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)相通的 你看 關(guān)于催化作用原理的問(wèn)題 就這樣被 破解 了 其實(shí) 催化作用的原理 是由許多科學(xué)家經(jīng)過(guò)異常 艱苦的研究 在總結(jié)大量事實(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成的 得益于前人的工作 我們今天能深入地理解催化原 理 而關(guān)于催化原理中一些尚未研究透徹的問(wèn)題 還有賴于科學(xué)家們更深入的研究 二 掀起你的蓋頭來(lái) 催化劑有哪些特點(diǎn) 世間萬(wàn)物都是這樣 外行看熱鬧 內(nèi)行看門道 而看似神秘的催化作用 其 本質(zhì) 一旦被看穿 就如同 玄妙的魔術(shù)被揭秘一樣 成為了 眾人皆知的秘密 在對(duì)催化原理的研究過(guò)程中 科學(xué)家們對(duì)催化劑所具 有的特性進(jìn)行了科學(xué)的歸納 總結(jié)出了催化劑的一些特性 對(duì)催化作用本質(zhì)及催化劑特性的深入認(rèn)識(shí) 有助于科學(xué)家們從原先 瞎貓碰死耗子 似地試驗(yàn)催化劑 逐步變?yōu)橛心康?有意識(shí)地尋找 研制各種新型 高效的催化劑 那么 催化劑究竟具有哪些特性呢 特定的催化劑只對(duì)特定的化學(xué)反應(yīng)有效 這常被稱為催化劑的 選擇性 當(dāng)然 這種選擇也是一種 雙向 選擇 這就意味著 并不存在一種催化劑 能夠催化一切的化學(xué)反應(yīng) 一般情況下 某種催化劑只對(duì)特 定的某個(gè)或某類化學(xué)反應(yīng)具有催化作用 同時(shí) 也不存在一個(gè)化學(xué)反應(yīng) 所有催化劑都能對(duì)其有催化作 用 一般而言 某個(gè)化學(xué)反應(yīng) 能夠?qū)ζ渚哂写呋饔玫奈镔|(zhì)并不會(huì)很多 而且催化效率也有差異 借 用一個(gè)術(shù)語(yǔ) 催化劑并不具有 廣譜性 在化工生產(chǎn)中 經(jīng)常會(huì)有這樣的情況 原料在反應(yīng)條件下可能發(fā)生多個(gè)化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生多種產(chǎn)物 其中 一般只有一個(gè)反應(yīng)是人們希望發(fā)生的 常稱為主反應(yīng) 其產(chǎn)物 常稱為主產(chǎn)物 是人們需要制取得到 的 而另外一些反應(yīng) 人們并不希望其發(fā)生 因?yàn)檫@些反應(yīng)不僅浪費(fèi)了原料 而且反應(yīng)的產(chǎn)物混雜在主 產(chǎn)物中 使得產(chǎn)物的純度降低 化工生產(chǎn)上常把這些伴隨著主反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)稱為副反應(yīng) 把副反應(yīng)的 產(chǎn)物稱為副產(chǎn)物 如何減少副反應(yīng)的發(fā)生 減少生成副產(chǎn)物的量 是幾乎每一個(gè)化工生產(chǎn)反應(yīng)都要考慮 的問(wèn)題 在這方面 催化劑的 選擇性 有著重要的作用 因此 在化工生產(chǎn)中 科學(xué)家們常常會(huì)利用催化 劑對(duì)反應(yīng)的選擇性 使用特定的催化劑 選擇 主反應(yīng)而排斥其他副反應(yīng) 使得主反應(yīng)加速 從而得到較 多的主產(chǎn)物 減少其他副反應(yīng)和副產(chǎn)物 例如乙醇在高溫時(shí)可發(fā)生脫氫反應(yīng)變成乙醛 也可發(fā)生脫水反 應(yīng)變成乙烯 銀催化劑能催化前一個(gè)反應(yīng) 而氧化鋁催化劑則能催化后一個(gè)反應(yīng) 很顯然 工業(yè)上用乙 醇脫氫制乙醛 應(yīng)該使用銀催化劑 這能最大限度地減少產(chǎn)物中副產(chǎn)物乙烯的量 而如果不慎選用了氧 化鋁催化劑 那結(jié)果只能是適得其反 催化劑要在特定的條件下才能發(fā)揮其最佳效果 夏天天氣炎熱 我們會(huì)覺(jué)得懶洋洋的 學(xué)習(xí) 工作起來(lái) 無(wú)精打采的 冬天天氣寒冷 人凍得瑟瑟發(fā)抖 肯定也會(huì)影響學(xué)習(xí) 工作的狀態(tài) 適宜的溫度 是我們 學(xué)習(xí)和工作高效率的保證 其實(shí) 催化劑和人一樣 也需要有一個(gè)最佳的工作條件 例如合成氨使用的 鐵催化劑 其最佳工作溫度為 500 左右 在這個(gè)溫度下 它的催化能力是最強(qiáng)的 正基于此 工業(yè)上合 成氨的溫度通?？刂圃?500 左右 當(dāng)然 不同的催化劑所需的最佳溫度并不相同 合成氨的鐵催化劑需 要在 500 左右使用 而有些催化劑在 500 可能早就因?yàn)楦邷囟Щ盍?所以 應(yīng)根據(jù)催化劑的本性選 擇最適宜的反應(yīng)條件 而不能 依樣畫葫蘆 工業(yè)催化劑通常還需要一定的載體和助催化劑 俗話說(shuō)得好 一個(gè)籬笆三根樁 一個(gè)好漢三個(gè)幫 催化 劑也是如此 一種工業(yè)催化劑要達(dá)到優(yōu)異的催化性能 光有活性物質(zhì)是不夠的 通常情況下 工業(yè)催化 劑里除了起核心作用的催化活性物質(zhì)外 還可能包含載體和助催化劑 為了更好地實(shí)現(xiàn)催化劑催化效果 除了活性物質(zhì)外 科學(xué)家們?cè)诖呋瘎├锛尤肓硗獾囊环N或幾種物質(zhì) 來(lái)增強(qiáng)催化劑的催化作用 所加入 的物質(zhì)稱為助催化劑 例如 在合成氨的鐵催化劑里加入少量的氧化鋁和氧化鉀作為助催化劑 可以大 大提高催化劑的催化能力 助催化劑的作用非常有趣 也非常有用 助催化劑本身不具有催化活性 也就是說(shuō) 單獨(dú)使用助催化劑 是不會(huì)產(chǎn)生任何催化效果的 但助催化劑能 協(xié)同 催化劑更加出色地完成 催化任務(wù) 而載體也是一樣 載體本身一般并不具有催化活性 但載體可以支持活性物質(zhì) 即 給活性物質(zhì)安個(gè)家 通過(guò)載體 不僅可 以使催化劑具有合適于工業(yè)生產(chǎn)的形狀 尺寸大小和機(jī)械強(qiáng)度 同時(shí)也能使活性物質(zhì)均勻地分散在載體 表面 更有利于催化劑與反應(yīng)物充分接觸 提高催化效率 應(yīng)該說(shuō) 催化劑的載體真正地體現(xiàn)了 為她人 做嫁衣裳 的 高尚風(fēng)格 常用的載體有氧化鋁載體 硅膠載體 活性炭載體 硅藻土載體等 還有新型 的分子篩載體等 比如前面講到的工業(yè)制硫酸的重要反應(yīng) 二氧化硫催化氧化成三氧化硫 其催化劑 是五氧化二礬 通常以硅藻土為載體 以硫酸鉀等堿金屬的硫酸鹽作為助催化劑 這樣才能獲得最佳的 催化效果 工業(yè)催化劑的使用和更新為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展提供了動(dòng)力和保障 但也有人打著催化劑的 幌子 招 搖撞騙呢 不信 你看下去就知道了 三 催化劑并不萬(wàn)能 揭穿 水變油 的騙局 我們生活在一個(gè)科技昌明的時(shí)代 但不可否認(rèn)的是 科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的歷程并非一帆風(fēng)順 這期間 人們?cè)羞^(guò)許多錯(cuò)誤的理論 觀點(diǎn)以及不切實(shí)際的想法 這其中有很多理論在當(dāng)時(shí)被許多人所接受 也 有許多科學(xué)家曾孜孜不倦地追求以實(shí)現(xiàn)這些 空想 例如 化學(xué)上曾有過(guò)著名的 燃素說(shuō) 當(dāng)時(shí)的科學(xué)家 認(rèn)為物質(zhì)能夠燃燒是因?yàn)槠渲泻幸环N稱為 燃素 的物質(zhì) 物質(zhì)燃燒后燃素?fù)p失 剩下的灰燼由于不含燃 素而無(wú)法燃燒 這一觀點(diǎn)曾長(zhǎng)期統(tǒng)治化學(xué)界 當(dāng)然我們現(xiàn)在都知道 燃燒一般是可燃物在氧氣的存在下 達(dá)到一定溫度后發(fā)生的反應(yīng) 可燃物中并不存在什么虛無(wú)縹緲的 燃素 同樣著名的還有 永動(dòng)機(jī) 的研制 歷史上曾有不少人有過(guò)這樣美好的愿望 制造出一種不需要任何動(dòng)力就 能運(yùn)行 可以源源不斷地對(duì)外界做功的機(jī)器 一旦這種機(jī)器研制成功 人們就不必為能源緊缺而犯愁 可以無(wú)中生有地創(chuàng)造出巨大的財(cái)富 正是基于這種巨大的誘惑 無(wú)數(shù)科學(xué)家為之努力 有人甚至為之付 出了畢生的心血 卻都以失敗而告終 在科學(xué)的歷史上 對(duì)永動(dòng)機(jī)的研制從沒(méi)有成功過(guò) 能量轉(zhuǎn)化和守 恒定律的發(fā)現(xiàn) 使人們認(rèn)識(shí)到 能量既不能憑空產(chǎn)生 也不能憑空消失 只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種 形式 例如電熱器把電能轉(zhuǎn)化成熱能 或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體 在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中能量 的總和不變 能量轉(zhuǎn)化和守恒定律證明了只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式 而不能無(wú)中生有地 制造能量 因此 永動(dòng)機(jī)是根本不能能制造出來(lái)的 當(dāng)然 我們無(wú)須回避科學(xué)道路上的種種坎坷 也無(wú)權(quán)苛責(zé)那些曾作出錯(cuò)誤論斷的科學(xué)家們 畢竟 他們 失敗的經(jīng)驗(yàn)是后人成功的基石 不過(guò) 如果現(xiàn)在還有人在鼓吹自己已研制成功永動(dòng)機(jī)之類的話 那么 這個(gè)人不是沒(méi)有頭腦 就是別有用心 類似的事件我們還聽過(guò) 這就是 水變油 水變油 不是什么新鮮事了 自從汽油被廣泛地用作汽車等交通工具的燃料后 水變油 便成了一個(gè)熱門 的話題 汽油來(lái)自于石油 要得到汽油 除了石油的開采和運(yùn)輸?shù)?還需要經(jīng)過(guò)石油煉制等工業(yè)生產(chǎn) 這些都需要一定的成本 而且隨著石油資源短缺以及石油價(jià)格飆升 汽油的價(jià)格也隨之水漲船高 水 存在于我們周圍 幾乎可以認(rèn)為是取之不盡 用之不竭的 因此 如果能實(shí)現(xiàn)將廉價(jià)的 來(lái)源極其廣泛 的水變成汽油 就可以徹底擺脫石油資源的限制 并極大地降低汽油的成本 這是多么誘人啊 水與汽 油 看起來(lái)似乎也有些相似 它們常溫下都是液體 而且 它們都含有氫元素 水含有氫元素與氧元素 汽油含有氫元素與碳元素 于是 懷著美好的憧憬 科學(xué)家們開始 上路 了 不過(guò) 事與愿違 水變油 終未成功 值得慶幸的是 有許多人明白了 水變油 是不可能的 就此罷手 讓人遺憾的是 很多人依然 執(zhí)迷不悟 誓將 水變油 進(jìn)行到底 但更令人痛恨的是 有些人明知 水變油 不可行 但仍鼓吹 水變油 已研制成功 然后通過(guò)并不高明的騙術(shù)或忽悠別人 或借此出名 或騙錢斂財(cái) 這種人令人痛恨 但因?yàn)樗麄兂３＝?助一大堆或許他們自己也不甚明了的高科技術(shù)語(yǔ) 專業(yè)名詞 把假相說(shuō)得天花亂墜 因此言辭常頗具迷 惑性 例如 曾有人聲稱研制了一種特殊的催化劑 將這種催化劑加入水中 水就能發(fā)生反應(yīng)變成汽油 你看 水變油 的過(guò)程因?yàn)橛辛舜呋瘎┑?幫助 似乎就變得順理成章了 催化劑 那是多么神奇的物 質(zhì)啊 那么多重要的化工生產(chǎn)過(guò)程都需要催化劑 區(qū)區(qū)水變油 有了催化劑自然也不在話下 由此 許 多人就上當(dāng)了 這些人之所以會(huì)上當(dāng) 歸根結(jié)底還是對(duì)催化劑不夠了解 因?yàn)榇呋瘎╇m然 神奇 但并不 萬(wàn)能 催化劑并不能解決一切問(wèn)題 那么 催化劑的 有所為 有所不為 究竟體現(xiàn)在哪些方面呢 科學(xué)家通過(guò)研究 證明了催化劑只能催化實(shí)際能夠發(fā)生的反應(yīng) 而對(duì)于本來(lái)就不能發(fā)生的反應(yīng) 催化劑 是無(wú)能為力的 我們前面了解的合成氨反應(yīng) 二氧化硫的氧化等反應(yīng) 都是實(shí)際能夠發(fā)生的反應(yīng) 只不 過(guò)在通常的情況下這些反應(yīng)進(jìn)行得較為緩慢 難以達(dá)到工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的需求 催化劑的作用只不過(guò)是 增大反應(yīng)的速度 促使這些反應(yīng)進(jìn)行得快一些 而對(duì)于理論上不能發(fā)生的反應(yīng) 再 神奇 的催化劑也不可 能促使其發(fā)生 水是氫元素和氧元素的化合物 汽油是一種碳?xì)浠衔?兩者的元素組成并不一樣 水 變成油 是一個(gè)在化學(xué)上無(wú)論如何也推導(dǎo)不出的反應(yīng) 根本不具有可行性 因此 不管研制出什么樣的 催化劑 都不可能使水變油反應(yīng)變成現(xiàn)實(shí) 很顯然 如果催化劑有了使水變油的奇妙作用的話 那么還 會(huì)有更多的 水變酒 水變奶 水變果汁 等催化劑的出現(xiàn) 似乎只要有水 就一切 OK 了 這顯然很 可笑 其實(shí) 催化劑的這一特性有著普遍意義 對(duì)于某個(gè)化學(xué)反應(yīng) 如果本身不具備發(fā)生的條件和可能性 那 么再 神奇 的催化劑也無(wú)法改變這一事實(shí) 如果說(shuō) 是合成氨催化劑的研制成功 催化 了第一次世界大戰(zhàn) 發(fā)生的話 那么 威廉二世統(tǒng)治世界的野心和發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)念頭是戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)的核心因素 假想一下 如果威 廉二世是一個(gè)和平主義者 別說(shuō)合成氨了 就算是當(dāng)時(shí)德國(guó)已經(jīng) 獨(dú)家 研制成功核武器 如果沒(méi)有發(fā)動(dòng)戰(zhàn) 爭(zhēng)的動(dòng)機(jī) 那么這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)就沒(méi)有發(fā)生的可能性 至少不會(huì)由德國(guó)率先發(fā)動(dòng) 催化劑的作用永遠(yuǎn)只能是 催化 不能被無(wú)限擴(kuò)大 如果你現(xiàn)在已經(jīng)明白了催化劑只能改變反應(yīng)速度 而無(wú)法使實(shí)際不存在的 不能發(fā)生的反應(yīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的 話 那么恭喜你 你已經(jīng)對(duì)催化劑的作用有了最初步的認(rèn)識(shí) 不過(guò) 這只是 萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步 道高一 尺 魔高一丈 這不 水變油 又有了新的 變種 有人聲稱 已研制出一種催化劑 能使水源源不斷 地分解成氫氣和氧氣 氫氣是一種優(yōu)質(zhì) 清潔的能源 從某種意義上將 比汽油更具應(yīng)用前景 因此這 不也就實(shí)現(xiàn)了 水變油 了嗎 很顯然 這一說(shuō)法更具有迷惑性 因?yàn)樗拇_能分解成氫氣和氧氣 這一反 應(yīng)在化學(xué)上是可行的 例如 在水中插入電極通直流電 水就能發(fā)生分解生成氫氣和氧氣 似乎 只要 能利用催化劑使水分解反應(yīng)變得更快 更高效 就完事具備了 不過(guò)很遺憾 這同樣也是有問(wèn)題的 因?yàn)?催化劑雖然能改變反應(yīng)速度 但無(wú)法改變化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng) 我們都知道 化學(xué)變化一般伴隨著能量的變化 這種能量的變化就是化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng) 例如 如果有 2 克氫氣完全燃燒 即氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 生成 18 克液態(tài)的水 就能釋放出約 286 千焦的熱量 這也就是為什么氫氣能作為燃料的原因 但這熱量并非批憑空產(chǎn)生 在氫氣燃燒放熱的過(guò)程中 一部分 化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了熱能而釋放出來(lái) 所以 總的能量仍然是守恒的 這并不奇怪 也無(wú)庸疑義 因?yàn)榛瘜W(xué) 反應(yīng)同樣也遵守能量守恒定律 另一方面 科學(xué)家通過(guò)測(cè)算得知 如果有 18 克水分解生成氫氣 2 克 和氧氣 必然要吸收 286 千焦的能量 這就意味著 氫氣和氧氣結(jié)合成水放出的能量與把水分解為氫氣 和氧氣所需要的能量是一樣多的 很多家用制氧機(jī)的工作原理 就是通過(guò)電流電解水得到氫氣和氧氣 這一過(guò)程中消耗了電能 為水分解 這個(gè)化學(xué)反應(yīng)提供了必須的能量 而且隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行 能量須源源不斷地持續(xù)地予以提供 一旦 無(wú)法提供能量 如關(guān)閉電源開關(guān)或停電 反應(yīng)就會(huì)終止 而科學(xué)家經(jīng)過(guò)大量研究實(shí)踐證明 催化劑無(wú) 法改變化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng) 這也就意味著 催化劑雖然能改變反應(yīng)速度 卻無(wú)法使反應(yīng)過(guò)程中釋放或者 吸收的能量的大小發(fā)生改變 因此 即使能研制出一種催化劑 可以使水分解成氫氣和氧氣的速度加快 但這一反應(yīng)仍必須提供大量的能量才能實(shí)現(xiàn) 所須提供的能量理論上與制得的氫氣燃燒所能釋放的能量 相同 但實(shí)際上由于損耗 所須提供的能量要相對(duì)大得多 所以說(shuō) 通過(guò)消耗大量的能量分解水制得 氫氣 再將氫氣用作燃料獲取能量 這一過(guò)程只有在某些特殊的情況下才會(huì)這樣做 如運(yùn)載火箭常以液 氫作為燃料 這時(shí)就需要先制得原料氫 主要是通過(guò)電解水 再將原料氫液化成液氫 但算一算成本 誰(shuí)也不會(huì)把這一應(yīng)用推而廣到千家萬(wàn)戶的生活中 而指望不消耗能量或少消耗能量 通過(guò) 催化水分解 實(shí) 現(xiàn)能量的 無(wú)中生有 則無(wú)異于緣木求魚 更加荒唐 不過(guò) 水分解制氫氣并非完全不可取 在現(xiàn)實(shí)的科 學(xué)研究中 科學(xué)家們已研制出特殊的裝置 能夠利用太陽(yáng)光將水分解為氫氣和氧氣 這一過(guò)程中消耗的 是光能 但這一應(yīng)用尚處于研究之中 因成本等問(wèn)題離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離 況且 光解 水需要太陽(yáng)光能 這與 僅利用催化劑就能實(shí)現(xiàn)水分解 是有天壤之別的 看來(lái) 無(wú)論是 水變油 的始作俑者 還是之后將各種 水變油 的騙術(shù)加以 改良 的騙子們 都在費(fèi)盡心機(jī) 打著科學(xué)的旗號(hào)實(shí)施 偽科學(xué) 我們也可以想見 在今后 水變油 還會(huì)生出更多的 變種 也會(huì)更具迷 惑性 不過(guò)不要怕 科學(xué)的頭腦和扎實(shí)的知識(shí) 是戰(zhàn)勝 偽科學(xué) 的有力武器 看來(lái) 從根本上了解 認(rèn)識(shí)催化劑的作用 還是有很重要的意義的 那么 催化劑能幫助我們得到更多 的產(chǎn)品嗎 如果你脫口而出回答 能 那么很遺憾 你對(duì)催化劑及催化作用特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還存在 盲區(qū) 這 個(gè)問(wèn)題很有迷惑性 但答案是明確的 催化劑不能幫助我們得到更多的產(chǎn)品 這究竟為什么呢 我們就以前面講過(guò)的氮?dú)夂蜌錃夂铣砂狈磻?yīng)為例來(lái)加以闡述 合成氨反應(yīng)的原料是氮 氣和氫氣以體積比 1 3 混合的氣體 混合氣體進(jìn)入合成塔后 氮?dú)夂蜌錃庠诟邷?加壓和鐵催化劑的催 化作用下反應(yīng)生成氨 隨著反應(yīng)的進(jìn)行 氮?dú)夂蜌錃獾牧恳蚍磻?yīng)被消耗而不斷減少 氨的量則不斷增加 但當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí) 氮?dú)夂蜌錃獾牧繉⒉辉贉p少 而氨的量也將不再增加 這時(shí)我們稱合成氨 這一化學(xué)反應(yīng)達(dá)到了 平衡狀態(tài) 科學(xué)家們經(jīng)過(guò)測(cè)定 合成氨化學(xué)反應(yīng)達(dá)到 平衡狀態(tài) 時(shí) 合成塔中是 氮?dú)?氫氣和氨的混合氣體 其中氨的量 體積分?jǐn)?shù) 只有不超過(guò) 20 實(shí)際上 不僅是合成氨 工業(yè) 生產(chǎn)中的許多化學(xué)反應(yīng)都是無(wú)法進(jìn)行到底的 這就意味著 對(duì)這些反應(yīng)而言 反應(yīng)物不可能百分之百地 轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物 反應(yīng)最終只會(huì)達(dá)到反應(yīng)物和產(chǎn)物以一定比例 和平共存 的平衡狀態(tài) 對(duì)合成氨反應(yīng)而言 反應(yīng)的溫度和壓強(qiáng)都能夠改變反應(yīng)的平衡狀態(tài) 在不同的溫度或不同的壓強(qiáng)下 平 衡混合物中氨的比例是不同的 但是 催化劑是不能改變合成氨反應(yīng)的平衡狀態(tài) 事實(shí)上 催化劑不能 改變?nèi)魏我粋€(gè)反應(yīng)的平衡狀態(tài) 這意味著 催化劑的加入只能增大反應(yīng)速度 并不能增加產(chǎn)量 即 催 化劑的使用能夠增加單位時(shí)間內(nèi)得到產(chǎn)物的量 而并不增加得到產(chǎn)物的總量 而所謂的催化劑的量用 得越多 得到的產(chǎn)物就越多的觀點(diǎn)則更屬無(wú)稽之談 同樣 如果一個(gè)設(shè)備中的合成氨反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡 狀態(tài) 這時(shí)候再加入鐵催化劑 哪怕加的量再多 也不會(huì)對(duì)平衡產(chǎn)生任何的影響 所以說(shuō) 想通過(guò)使用 催化劑幫助我們得到更多量的產(chǎn)品 這只能是 竹籃打水 一場(chǎng)空 現(xiàn)在 你一定認(rèn)識(shí)到了 催化劑雖然很 能 但并不是萬(wàn)能的 催化劑只能對(duì)原本就能夠發(fā)生的反應(yīng)起作 用 借用一些術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō) 催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)的是化學(xué)反應(yīng)的 量變 即反應(yīng)速度由快到慢 而不能實(shí)現(xiàn) 質(zhì)變 即不能使原本無(wú)法發(fā)生的反應(yīng)變?yōu)榭赡?催化劑能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速度 但不能改變化學(xué)反 應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中要吸收多少熱 會(huì)放出多少熱 決不會(huì)因?yàn)槭褂昧舜呋瘎┒性鰷p 催化劑不能改變反應(yīng)的平衡狀態(tài) 要想通過(guò)加入催化劑而得到更多產(chǎn)物的想法是不切實(shí)際的 工業(yè)生產(chǎn) 中催化劑的使用主要為的是解決反應(yīng)速度和生產(chǎn)效率的問(wèn)題 到這里 我們可以用一個(gè)相對(duì)比較完善的定義來(lái)描述催化劑了 催化劑是一種能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速 度 卻不改變化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)和平衡狀態(tài) 本身在化學(xué)反應(yīng)中不被明顯地消耗的化學(xué)物質(zhì) 雖然 催化劑不能實(shí)現(xiàn) 水變油 但催化劑還是有很重要的作用的 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中 催化劑扮演 著舉足輕重的角色 從而成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的 核心競(jìng)爭(zhēng)力 不能沒(méi)有你 工業(yè)生產(chǎn)與催化劑 沒(méi)有催化劑就沒(méi)有現(xiàn)代化的工業(yè) 這是許多有識(shí)之士的共同觀點(diǎn) 如果沒(méi)有催化劑 大量的化學(xué)反應(yīng)就 不可能達(dá)到理想的速度 因而也無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的化工生產(chǎn) 所以說(shuō) 催化劑是隨著現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā) 展而產(chǎn)生的 而同時(shí) 催化技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展 工業(yè)生產(chǎn)中 催化劑是提高化學(xué)反應(yīng)速度 控制化學(xué)反應(yīng)方向的最為有效的手段之一 對(duì)于一個(gè)有用的 化學(xué)反應(yīng) 是否能實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn) 必須要考慮產(chǎn)率問(wèn)題和速度問(wèn)題 產(chǎn)率關(guān)心的是反應(yīng)能進(jìn)行到什么樣 的程度 而速度衡量的是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢 即反應(yīng)達(dá)到合適的產(chǎn)率需要多長(zhǎng)的時(shí)間 設(shè)想 如果一 個(gè)化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)上達(dá)到適合的產(chǎn)率需要花很長(zhǎng)的時(shí)間 那么這個(gè)反應(yīng)是否具有工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值就存在疑 問(wèn) 因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)是要講求效率的 在工廠 設(shè)備規(guī)模限定的前提下 提高產(chǎn)量最有效的途徑 就是在 單位時(shí)間內(nèi)獲得更多的產(chǎn)物 也就是增大化學(xué)反應(yīng)的速度 而這 恰恰是催化劑所擅長(zhǎng)的 工業(yè)生產(chǎn)中催化劑的選擇 在許多工業(yè)生產(chǎn)中 催化劑作為一種必不可少的原料 是生產(chǎn)最重要的條件之一 這就意味著 要獲得 較高的生產(chǎn)效率 必須選擇與生產(chǎn)相適應(yīng)的催化劑 實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中 對(duì)于催化劑的選擇是一門重要的 學(xué)問(wèn) 或許你會(huì)說(shuō) 這有什么難的 選擇催化劑不就應(yīng)該選擇催化效率最高的嗎 是的 不可否認(rèn) 催 化效率是選擇催化劑要考慮的重要因素 但不是惟一因素 光有高的催化效率是不夠的 有時(shí)候太高的 催化效率反而會(huì)影響生產(chǎn)效率 你一定感到糊涂了吧 沒(méi)關(guān)系 看下去你就會(huì)明白的 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 一個(gè)好的工業(yè)催化劑應(yīng)該同時(shí)具備適宜的催化效率 較高的選擇性和較長(zhǎng)的使用壽命 首先是催化效率 通常 為了提高工業(yè)生產(chǎn)的效率 應(yīng)該選擇使用催化效率更高的催化劑 但這并不是 絕對(duì)的 比如 對(duì)于某些熱效應(yīng)較大 即反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放較多的熱量 的化學(xué)反應(yīng) 如前面述及的二 氧化硫的氧化反應(yīng) 催化劑的催化效率如果過(guò)高的話 反應(yīng)會(huì)在單位時(shí)間內(nèi)放出大量的熱量 如果這些 熱量不能及時(shí) 有效地從反應(yīng)容器中被排走 則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)容器中的溫度急劇升高 溫度的升高不僅會(huì) 影響反應(yīng)的產(chǎn)率 而且過(guò)高的溫度會(huì)破壞催化劑的最適宜的溫度條件 引起催化劑的燒結(jié) 從而喪失催 化功能 所以 過(guò)猶不及 同樣適用于催化工業(yè)生產(chǎn) 其次是催化劑的選擇性 催化劑如果具有較高的選擇性 則可以選擇性地催化工業(yè)生產(chǎn)所需的主反應(yīng) 而大大減少副反應(yīng)的發(fā)生和副產(chǎn)物的生成 這不僅可以增大原料的利用率 而且可以簡(jiǎn)化反應(yīng)后產(chǎn)物的 凈化 提純處理等流程 節(jié)約成本 設(shè)想一下 如果一種催化劑對(duì)主反應(yīng)具有很高的催化效率 但這個(gè) 催化劑 不分?jǐn)澄?對(duì)于各個(gè)副反應(yīng)也同樣具有很高的催化效率 甚至催化效率比主反應(yīng)還要高 那么這 個(gè)催化劑的高效率只能是 幫倒忙 不具有現(xiàn)實(shí)意義 你一定熟悉拳王阿里吧 1996 年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)開幕式上 拳王阿里用顫抖的手點(diǎn)燃火炬的一幕令人動(dòng) 容 曾經(jīng)在拳臺(tái)上天下無(wú)敵的阿里患有帕金森氏癥 有一種稱為多巴的藥物 能有效地治療帕金森氏癥 但多巴存在兩種結(jié)構(gòu) 一種稱之為左旋分子 對(duì)治療帕金森氏癥具有療效 另一種是右旋分子 沒(méi)有治 療效果 由于這兩種分子的組成完全一樣 只是在結(jié)構(gòu)上存在細(xì)微的差別 化學(xué)上稱這兩種物質(zhì)為對(duì)映 異構(gòu)體 因此用常規(guī)的手段很難分離開 要分離這兩種物質(zhì) 必須用成本極高的分離手段 1974 年 美國(guó)孟山都公司開發(fā)出了具有很高的選擇性的催化劑 能在合成反應(yīng)中選擇性地催化左旋多巴的生成反 應(yīng) 使得產(chǎn)物幾乎不含右旋多巴 這一成果使左旋多巴成為治療帕金森氏癥的首選藥物 時(shí)至今日 左 旋多巴仍 活躍 在治療帕金森氏癥這一 戰(zhàn)線 造福了無(wú)數(shù)患者 這一革新的例子 可以說(shuō)是化學(xué)生產(chǎn)中 利用催化劑的選擇性的經(jīng)典之作 而當(dāng)時(shí)供職于孟山都公司 對(duì)這一合成反應(yīng)居功至偉的威廉 諾爾斯 也終于因這一研究而獲得 2001 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 當(dāng)時(shí)他已經(jīng) 84 歲了 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)對(duì)他而言或許是個(gè) 遲到的榮譽(yù) 但也確是名至實(shí)歸 第三是催化劑的壽命 也就是催化劑的穩(wěn)定性 催化劑雖然不是反應(yīng)物 不會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而被消耗 掉 但由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的影響 如高溫 反應(yīng)物中存在雜質(zhì)等 都可能導(dǎo)致催化劑中毒 燒結(jié) 積炭等現(xiàn)象出現(xiàn) 而令催化劑的催化能力減弱或失去 這種現(xiàn)象叫做催化劑的失活 催化劑失活后 為了恢復(fù)催化劑的催化效率 就必須對(duì)催化劑進(jìn)行處理以恢復(fù)催化活性 即催化劑的再 生 或者更換新的催化劑 但無(wú)論哪種辦法 都會(huì)造成生產(chǎn)的停頓 導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降 而對(duì)于一 些要連續(xù)性工作的大型生產(chǎn)裝置 停工更換催化劑 造成的損失是難以彌補(bǔ)的 這就要求工業(yè)生產(chǎn)中的 催化劑 尤其是連續(xù)生產(chǎn)裝置中使用的催化劑 應(yīng)該具有較好的 免疫力 有優(yōu)良的穩(wěn)定性 具備較長(zhǎng)的 使用壽命 如果某種催化劑具有較高的催化效率 而且選擇性也很高 但就是太過(guò) 嬌貴 好似 溫室里 的花朵 經(jīng)受不起工業(yè)生產(chǎn)的 惡劣條件 動(dòng)不動(dòng)就要 罷工 失活 那么 這種催化劑也不具備應(yīng) 用于工業(yè)生產(chǎn)的價(jià)值 在現(xiàn)代石油煉制及石油化工中 催化劑的耗費(fèi)占了生產(chǎn)成本中很大一部分 有很多催化劑價(jià)格很高 尤 其部分以鉑 鈀等貴金屬為原料的催化劑則更加昂貴 所以 催化劑的穩(wěn)定性和使用壽命對(duì)于降低成本 提高生產(chǎn)效率具有重要的意義 當(dāng)然 即使再耐用 穩(wěn)定的催化劑 在反應(yīng)中也有可能發(fā)生極其微小的 催化能力的改變 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)而累積起來(lái) 最終也會(huì)造成催化能力下降乃至失活 所以 如果我 們一定要開發(fā)出 永不磨損 一顆永流傳 的催化劑 實(shí)現(xiàn) 一勞永逸 顯然也是不現(xiàn)實(shí)的 其他諸如價(jià)格等 也是選擇工業(yè)催化劑時(shí)必須考慮的因素 這里不再贅述 當(dāng)然 很多時(shí)候由于受實(shí)際 條件的限制 要尋找到一種 十全十美 面面俱到 的催化劑是很難的 又要馬兒跑 又要馬兒不吃草 雖然這是追求的目標(biāo) 但在工業(yè)生產(chǎn)上往往可遇而不可求 而這時(shí) 就應(yīng)該綜合考慮整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 把握住關(guān)鍵的方面 在某些方面作出犧牲 工業(yè)催化劑的選擇和開發(fā)是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作 一種催化劑要能夠真正投入生產(chǎn)應(yīng)用 必須經(jīng)過(guò)大 量的試驗(yàn) 綜合各方面的情況加以評(píng)價(jià) 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步 每年都會(huì)有許多新的催化劑被研制開發(fā) 出來(lái) 應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中 替代老的催化劑 在工業(yè)催化劑的選擇上 沒(méi)有最好 只有更好 從這個(gè)意 義上說(shuō) 工業(yè)催化劑的更新?lián)Q代是永無(wú)止境的 餐桌上的催化 人造奶油與油脂氫化 你一定吃過(guò)很多種奶油制品吧 奶油的那種自然 香濃 讓人垂涎三尺的美味一定令你回味悠長(zhǎng) 奶油 又常稱為白脫 黃油 是一種大家都喜歡的食品 顧名思義 奶油是從牛奶中提取出來(lái)的 其中大部分是 油脂 還含有水分 乳糖 蛋白質(zhì) 礦物質(zhì) 維生素等等 雖然現(xiàn)在很多人對(duì)奶油敬而遠(yuǎn)之 但你是否 知道 在歷史上 享用奶油曾經(jīng)只能是貴族的特權(quán) 而且一度人們還為吃不到奶油而犯愁 早在公元前 3000 多年 人們就已掌握了奶油的制作方法 將牛奶放置在桶里 一段時(shí)間后 牛奶表面就 會(huì)產(chǎn)生一層奶皮 把奶皮撈出來(lái)裝在一個(gè)口袋里 經(jīng)過(guò)反復(fù)的拍打和搓揉 就能制得奶油 當(dāng)然 這種 方法既費(fèi)時(shí)費(fèi)力 奶油的產(chǎn)出量也少 隨著奶油制造工藝的不斷進(jìn)步 奶油的產(chǎn)量越來(lái)越大 品質(zhì)也越 來(lái)越好 奶油逐步成為人們廚房中 餐桌上的必備品 但是 不管奶油的制造工藝如何改進(jìn) 其原料 牛奶都是必不可少的 這就引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題 一旦牛 奶的產(chǎn)量受影響 奶油的生產(chǎn)也就不可避免地受到影響 這不是杞人憂天 事實(shí)上 歷史上因?yàn)檫@個(gè)原 因?qū)е碌?奶油 荒曾多次發(fā)生 正如很多其他物品一樣 擁有時(shí)并不珍惜 一旦失去就能感受到它的價(jià)值 為此 科學(xué)家們?cè)ù罅庋芯可a(chǎn)奶油的其他方法 以減少奶油生產(chǎn)對(duì)于牛奶的依賴性 當(dāng)然 這還 得從奶油本身說(shuō)起 說(shuō)起奶油的主要成分 油脂 我們并不陌生 它是人體必需的一種營(yíng)養(yǎng)素 在我們的日常生活中 富 含油脂的東西并不少 牛油 豬油等動(dòng)物中含有的油脂通常是固態(tài)的 人們也把它稱為脂肪 而從大豆 花生 葵花籽等富含油脂的植物及其果實(shí)中也能提取出液態(tài)的油脂 人們把它稱為油 其實(shí) 油脂也就 是呈固態(tài)的脂肪和呈液態(tài)的油的統(tǒng)稱 在牛油 豬油 奶油等固體動(dòng)物油脂中 含有較多的飽和脂肪酸酯類 飽和脂肪酸酯是飽和脂肪酸形成 的酯 也就是說(shuō) 其分子中不含有碳碳雙鍵 其含氫的原子數(shù)達(dá)到最多 即飽和 相反地 大豆油 花生油等液體植物油脂 含有較多的不飽和脂肪酸酯類 不飽和脂肪酸酯意味著分子中含有一定數(shù)量的 碳碳雙鍵 其氫原子數(shù)還沒(méi)有飽和 分子中氫原子數(shù)有沒(méi)有達(dá)到飽和 是導(dǎo)致了動(dòng)物油脂呈固態(tài)而植物 油脂呈液態(tài)的主要原因 既然如此 那么事情似乎就變得很簡(jiǎn)單了 我們只要使不飽和脂肪酸酯變成飽和脂肪酸酯 不就可以實(shí) 現(xiàn)植物性油脂到動(dòng)物性油脂的 歷史性轉(zhuǎn)變 了嗎 這一變化在理論上是可行的 使不飽和脂肪酸酯與氫氣 發(fā)生反應(yīng) 反應(yīng)過(guò)程中碳碳雙鍵變成單鍵 在原雙鍵碳原子上各增加了一個(gè)氫原子 這一反應(yīng)在化學(xué)上 稱為 加成反應(yīng) 或 加氫反應(yīng) 加氫反應(yīng) 看似簡(jiǎn)單 但要切實(shí)地實(shí)現(xiàn)這個(gè)反應(yīng)過(guò)程 卻還有些難度 簡(jiǎn)單地將植物性油脂與氫氣混合在 一起 可能歷經(jīng)幾小時(shí) 幾天甚至更長(zhǎng)的時(shí)間 都不會(huì)看到有發(fā)生反應(yīng)的跡象 你可能已經(jīng)想到 要順 利地實(shí)現(xiàn)這個(gè)反應(yīng) 離不開催化劑的幫忙 19 世紀(jì)末期 法國(guó)化學(xué)家薩巴第埃在研究有機(jī)化合物的催化反應(yīng)時(shí) 發(fā)現(xiàn)了金屬鎳粉具有很高的加氫催 化活性 并以鎳粉為催化劑實(shí)現(xiàn)了催化加氫反應(yīng) 薩巴第埃因?yàn)樗倪@一重要發(fā)現(xiàn)而獲得 1912 年的諾 貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 薩巴蒂埃一生致力于對(duì)