数学北师大版一年级上册可爱的学校

化学反应的 变速器 一 因催化剂而爆发的世界大战 第一次世界大战因催化剂而打响 这话听起来 似乎就和春晚小品里说的 美国攻打伊拉克 是因为萨 达姆偷了布什家的高压锅 一样荒诞 历史课本不是早就告诉我们 历时 4 年多 波及全世界的第一次世 界大战 是帝国主义国家之间为瓜分世界 争夺殖民地和霸权而进行的战争 世界大战与催化剂 听起 来风马牛不相及嘛 但这并非空穴来风 第一次世界大战的爆发和进程 与催化剂的确有着紧密的联系 这还得从一个人说起 他就是德国物理化学家 合成氨的发明者 弗里茨 哈伯 Fritz Haber 翻开诺贝尔奖获得者的长卷 你一定会马上就找到弗里茨 哈伯 哈伯因在合成氨研究中做出的杰出贡献 而获得 1918 年诺贝尔化学奖 众所周知 诺贝尔科学奖是奖励那些在自然科学研究中对人类做出重大贡 献的人 那么 究竟什么是合成氨呢 合成氨对人类又有什么重要的意义呢 19 世纪末 随着世界人口数量的快速增长 对粮食的需求量也日趋增大 怎样在有限的耕地上生产出更 多的粮食 成为横亘在人们面前的一个现实的难题 科学家们通过研究发现 给土地施含有氮的肥料 也就是我们通常所说的氮肥 能有效地增加粮食产量 而同时 随着各国军事的发展 对炸药的需 求越来越大 在当时 生产炸药需要消耗大量的硝酸 一种含氮的酸 说到氮 你一定不会陌生 时刻充斥在你周围的空气中就有它的身影 空气中有 78 是氮气 看来 人 们不必为生产化肥和炸药的 粮食 而发愁了 但事情并没有这么简单 空气中的氮气非常稳定 是个 老 顽固 很难和其他物质发生反应 自然也就很难变成人们需要的化肥和炸药了 通常只有在打雷闪电的 时候 少量氮气才会 羞答答 地和空气中的另一成分 氧气发生反应 生成一氧化氮 再经过一系列的 变化变成氮肥 随着雨水落到土壤中 这也就是农谚 雷雨发庄稼 所蕴涵的科学道理 一年当中 打雷 的日子不会很多 靠天吃饭 不是回事 幸好 自然界中还有大量含氮的矿物 如硝石 这些含氮矿物都 能用于工业生产氮肥和火药 因此 在 19 世纪 出于生产化肥和炸药的大量需求 硝石成为了一种非常 紧俏而重要的战略物资 但老天爷似乎不太公平 因为硝石在世界上的分布并不均衡 南美洲的智利是当时硝石的主要产地 史 称智利硝石 而对硝石有巨大需求的欧洲 本身并不出产 只能靠大量的进口 一方面 硝石矿的蕴藏 量有限 而需求却在以很快的速度增长 另一方面 对于空气中近乎于取之不尽的氮资源 人们却不能 加以利用 这实在是很可惜的事 于是 各国科学家纷纷致力于研究利用空气中的氮气生产氮肥和炸药 的方法 而其中最关键的一步 就是使极其不活泼的氮气通过一定的化学方法 变成氮的某种简单化合 物 这在工业上称为 人工固氮 即将空气中 飘忽不定 的氮 固定 下来 合成氨就是最重要的一种人工 固氮方法 作为一名优秀的化学家 哈伯也一直将人工固氮作为自己的一个研究课题 1905 年 哈伯在赴美国考察 后 回国采用了在高压下放电进行固氮的研究 即模拟闪电时氮气与氧气的反应 实验进行了约一年 但效果不很理想 不过 这点小失败并未使哈伯灰心和放弃 当然 固氮并非只有氮气与氧气反应这 华 山一条路 在参考了其他科学家的经验后 哈伯转而研究氢气和氮气的反应 氢气与氮气反应能生成氨 氨是一种有刺激性气味的气体 是氮的一种重要的化合物 但由于氮气极不活泼的 脾气 氢气与氮气的 反应也很难进行 为了使氢气与氮气能反应 科学家们尝试了大量的方法 但大量的实验研究证实 即 使在很高的温度和很大的压强下 氢气与氮气的反应也是极其缓慢的 根本达不到工业生产的要求 打 个比方 就好像严重堵塞的水龙头 滴了一天的水还不够一个人喝的 哈伯意识到 必须寻找到一种物质 能够使氢气与氮气的反应加快速度 使 滴水 的水龙头变成 哗哗流 水 的水龙头 终于 在历经无数次失败后 1909 年 哈伯在实验室采用 600 200 个大气压和用金属 锇作催化剂的条件下 大大提高了合成氨反应的速度 当然 有了催化剂 距离实现工业化生产还有很 长的一段路要走 于是 哈伯又同化工专家波施以及其他科研人员一起 对数千种不同配方的催化剂进 行实验 终于制得了比锇价格低而催化效率更高的高效铁催化剂 同时解决了如高温氢气对生产设备的 腐蚀等一些合成氨实际生产中的技术难题 1911 年 德国建成世界上第一座日产 30 吨合成氨的工厂 这是人工固氮技术的重大成就 是催化剂在化学研究和化工生产中的胜利 1914 年 第一次世界大战爆发前 德国已经设计建造完成多家合成氨工厂 并投入生产 工厂源源不断 地提供着制造化肥和炸药的原料 而且 当时只有德国掌握了合成氨技术 德皇威廉二世认为 只要能 源源不断地生产出氨和硝酸 德国的粮食和炸药供应就有保证 即使断了硝石供应也没有问题 这也更 加坚定了威廉二世开战的决心 与此同时 已经觉察到德国有发动战争倾向的外国首脑和军事专家 由 于不知道德国已经成功地实现了氨的合成 从而轻易地认为只要切断硝石的供应 德国就无法生产炸药 甚至在战争爆发后 他们还简单地认为由于硝石的短缺 大战将很快结束 事实完全相反 而这其中留 给后人的教训也是惨痛的 当然 如果因此而将第一次世界大战爆发的罪恶根源归咎于合成氨和催化剂 归咎于哈伯 则是毫无道 理的 这就好像刀可以用来杀人 但造刀的人并非是持刀杀人犯的帮凶 而另一方面 合成氨推动了化 肥工业及其他工业的迅猛发展 带给人类的好处也是不可估量的 正因此 1918 年 因战争中断 2 年后 恢复评选的诺贝尔化学奖授予了哈伯 哈伯的合作者波施也因在合成氨的工业化中作出的贡献而在 1931 年获得诺贝尔化学奖 二 慢性子 与 急脾气 现在 你可能已经对催化剂和催化作用有一定的认识了 是的 催化剂就是那些能改变化学反应速度的 物质 而催化剂所起的作用就称之为催化作用 在氮气和氢气合成氨的反应中 铁就是催化剂 能加快 合成氨反应的速度 生活中我们经常遇到这样的情况 有的人是急脾气 做起事来风风火火 恨不得一下子把全部事情都做 完 有的人则是慢性子 做起事来慢条斯理 经常拖拖拉拉的 不过 当碰到的事情十万火急 已经 火 烧眉毛 了 只怕慢性子也会变成急脾气 打个比方 我们可以把这个迫在眉睫的事情看作是一个 催化剂 它使得原本那些做事 缓慢 的人变得 急速 起来 从而 加快 了办事的速度 危机关头 手无缚鸡之力 的人也会变得勇猛异常 这也是一种 催化作用 吧 催化剂在工业生产中的用途是极其广泛的 除了合成氨外 还有很多工业生产中也要用到催化剂 例如 硫酸的生产 硫酸是一种极其重要的工业原料 生产硫酸中有一步重要的反应 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业上称为 催 化氧化 即在一种催化剂 五氧化二矾 的帮助下进行的氧化反应 可想而知 如果没有五氧化二矾的 催化作用 那么二氧化硫的氧化将是很缓慢的 五氧化二矾的催化作用能大大提高二氧化硫氧化反应的 速度 能在同样的时间里得到更多的三氧化硫 从而提高了单位时间内硫酸的产量 有趣的是 依靠催 化剂生产得到的硫酸 其本身也是一种常用的催化剂 不过 急脾气 也不一定就比 慢性子 要好 生活中 急脾气 往往容易心急慌忙 粗枝大叶 化学上也 是一样的 有的时候 化学反应的速度太快了也不好 对于某些特定的反应 人们希望它进行得越慢越 好 比如钢铁的生锈 钢铁容易生锈而被腐蚀 其实质是铁和空气中的氧气发生了复杂的化学反应 有 些钢铁制品用不了多长时间就锈迹斑斑 不仅影响美观 而且会导致钢铁制品变得疏松 失去了原有的 机械强度 为此 科学家们想了很多办法防止钢铁被腐蚀 常用的一种方法是加入缓蚀剂 减缓钢铁生 锈的速度 注意 这里的作用不是 加快 化学反应的速度 而是 减缓 化学反应的速度 又比如 橡胶 制品在生活中应用很广 但橡胶制品容易老化 老化的橡胶失去了弹性而容易折断 在橡胶制品中加入 一些防老化剂 可以减慢橡胶老化反应的速度 使橡胶制品更耐用 日常炒菜等使用的食用油 如果储 存不当或放置比较长的时间 就容易发生 酸败 而颜色变深 变得混浊 并产生一种难闻的哈喇味 使用 酸败的食用油炒菜 不仅味道变差 营养价值降低 食用后还可能引起恶心 呕吐 腹泻等症状 危害 身体健康 如果在食用油里加入少量的没食子酸正丙酯 就可以有效地减缓 酸败 在这里 没食子酸正 丙酯是一种抑制剂 可以减慢油脂 酸败 反应的速度 像缓蚀剂 防老化剂 抑制剂这样一类的物质也属 于催化剂 化学上将其称为 负催化剂 现在 我们提到的 催化剂 和 催化作用 一般指的都是使化学反应速度加快 而对于那些使化学反应速 度减小的 催化剂 则通常用 阻化剂 等名称来替代 尤其是在现代大规模工业生产中 使用的催化剂基 本上都是为增大反应速度的 其实 不管是 加快 速度 还是 减缓 速度 都是催化剂的看家本领 如今 无处不在的催化剂融入了人 们日常生产 生活的各个方面 成为我们不可缺少的好帮手 三 从 铂怀炉 取暖说起 冬天天气寒冷 人们常常需要能够提供热量的取暖设备 从原始人披着兽皮生火取暖 到现在空调 取 暖器 电手炉等各种各样的取暖设备琳琅满目 应有尽有 取暖设备的发展从一个方面反映了人们生活 水平的提高 当然 现在用的取暖设备大多数都是用电的 即将电能转化成热能 电的大规模使用不过 一百多年 那么 在电并不普及的年代 人们如何取暖呢 19 世纪时 在欧洲的冬天 小姐和贵妇人们为了出席各种社交活动 常要乘坐马车赶好多路 马车里不 像家里 能用壁炉燃煤取暖 而那时也还没有什么电手炉之类的取暖设备 为使她们能在乘车途中不至 于受冻 能够随身携带的供取暖用的 铂怀炉 便应运而生 直到今天 仍然有很多人选择用 铂怀炉 在冬 天取暖 铂就是白金 是一种贵重的金属 有银白色的光泽 常用于制造各种首饰 但你如果认为用 铂 做怀炉只是为了美观 漂亮 体现身价 那你可就大错特错了 不知你是否吃过暖锅 冬天 在饭店里吃饭 有些菜是用暖锅盛的 一边吃 一边下面在加热 这样即 使吃较长时间菜也不会凉 在暖锅下面用于加热的通常是块状的 固体酒精 酒精燃烧能提供大量的热量 是一种常用的燃料 在 铂怀炉 中 提供热量的物质也是酒精 铂怀炉 等于 暖锅 这可有点可怕 怀 里揣着个小火炉 衣服被烧坏不用说 人还不得被烧伤啊 其实你不用害怕 铂怀炉 其实很安全 在 铂怀炉 中 酒精靠人体的体温缓缓挥发成酒精蒸气 在金属铂的催化作用下 酒精蒸气无须点燃便可以 与氧气发生反应 产生热量 而这一氧化过程并不产生火焰 可以称之为 无焰燃烧 铂能够对酒精的氧 化反应起催化作用 这是 1820 年英国化学家戴维发现的 当然 如果在燃烧着的酒精中插进一根铂丝 由于铂的催化作用 酒精将燃烧得更加剧烈 同样是因为酒精与氧气反应的速度加快了 迅速产生的 热量累积起的高温能使铂丝达到炽热的程度 发出很亮的光 想当年 戴维就制作了这样一种铂丝酒精 灯 用它来照明 这种灯在欧洲风行了许多年 在我们的日常生产 生活中 通过催化作用实现的 无焰燃烧 具有十分重要的意义 它提供了一种安全的 燃烧 方式 因为不产生火焰 没有明火 不会因为使用不慎而酿成火灾 同时 它能让燃料在较低温度 甚至是常温 下实现氧化供热 夏天为了驱赶蚊子 人们常使用电蚊香片 通过电加热 使电蚊香片中的有效成分缓缓释放出来 达到 驱蚊的效果 而对于一些无法用电或者用电不方便的地方 专家们设计了一种无焰燃烧加热灭蚊器 这 种灭蚊器使用了一种催化剂 通过催化作用 使煤油等燃料在较低的温度下进行无焰燃烧 用无焰燃烧 产生的热量加热蚊香片 使用 20 毫升煤油 加热器便可以持续加热 10 12 小时 真是既经济又方便 催化剂是怎样 工作 的 早在 20 世纪初期 面对大量客观存在的催化现象和催化反应 科学家们认识到 深入地研究催化现象以 及催化过程的原理 并由此研制出更多高效的催化剂 对于化学工业的发展和化学科学的进步 具有十 分重要的积极意义 一 催化剂是怎样 工作 的 在发现了催化剂的神奇作用后 科学家们就一直致力于对催化作用的原理进行研究 对催化作用实质的 认识 不仅有助于人们完善催化理论 更重要的是在实践中帮助人们寻找更高效率 更廉价 更易获得 或制得的催化剂 改进 改善许多化学工业生产过程 催化反应的原理 也就是关于催化剂是怎样 工作 的 是一个比较复杂的问题 甚至有些疑问目前还没有 完全弄清楚 或者是科学家尚未达成共同的认识 当然 这并不意味着催化反应是不可认识的 要讨论催化剂的 工作原理 我们还得先来初步认识一下物 质的构成和物质的化学变化 科学家们研究发现 世界上的物质都是由极其微小的微粒 原子 分子 离子等构成的 正是这些微 粒构成了我们这个物质世界 构成物质世界的微粒是在不停运动着的 即使是外表看起来静止的东西 如平稳放置在桌面上的一杯水 其构成微粒 水分子 也是在不停运动着的 英国科学家布朗曾做过 一个著名的布朗运动实验 实验中观察到 悬浮在水面上的花粉等小颗粒在不停地做着无规律的运动 人们把它称为布朗运动 它直观地说明水分子在不停地做着无规律的运动 科学家们经过长期的研究发现 各种不同的化学反应的速度是不相同的 有些化学反应的速度很快 在 一瞬间就能完成 例如炸药的爆炸 炸药在点燃瞬间急速燃烧 在极短的时间内 相对封闭的空间里产 生大量气体 导致了爆炸的发生 爆炸反应的速度是相当快的 而有些化学反应速度却很慢 如前面讲 的合成氨反应 即使在高温高压下 这一反应也是进行得极其缓慢的 那么 究竟是什么导致了化学反 应速度的差异呢 在彻底弄清这个问题之前 你还得耐心听我讲一个故事 这是一个现代版的 愚公移山 的故事 有一个偏僻的村庄 住着几百户人家 村庄被崇山峻岭所包围 只有一条山路可以通往村外 由于走这 条山路要翻过一座极高的山峰 因此一直以来 村子里只有那些年富力强 身体素质很好的年轻人才能 出村去 一天 村子里一个名为 愚公 很巧 他也叫愚公 的老人说 村子里的老人 小孩都无法翻 过那座山峰 这样下去可不行 我得想办法让更多的人能出村去 愚公的邻居听说了 跑来劝他 你 别傻了 你难道还想像那个 愚公 一样把山挖平吗 这太不现实了 愚公 笑笑 回答道 与其在这里 灰心丧气地发牢骚 还不如切切实实地想些办法 挖山显然不行 不过 我相信挖一条山路总是可以的 于是 愚公带领着家人 在村子西头一座相对较低的山上开挖山路 工夫不负有心人 几个月后 山 路终于开挖完成 从此 村里的村民不必再翻越那座对多数人而言高不可及的山峰 而只需顺山路走过 那座较低的山就能出村 而由此 更多的体力不那么好的村民也能得以出村 鉴于他为村民们作出的伟 大功绩 愚公 被大家称为 当代愚公 这个 当代愚公 的办法 与催化剂为什么能够加快化学反应速度的原理其实是类似的 科学家们认为 化学反应得以进行的先决条件是反应物分子间必须发生碰撞 不过 并不是反应物分子 间的每一次碰撞都会发生化学反应 事实上 一般情况下只有少数的碰撞会导致反应的发生 而更多数 的碰撞并不发生反应 是无效的 科学家们把能发生反应的碰撞称之为有效碰撞 能发生有效碰撞的分 子的能量要比一般分子的能量高 这些能量较高的 碰撞时能发生化学反应的分子称为活化分子 就好 比那些原先就能翻越高山而出村的年轻人 科学家们研究发现 在一定温度下 活化分子百分数越大 即所有分子中活化分子所占的比例越大 化学反应的速度就越大 化学反应就进行得快 反之 活 化分子百分数越小 即所有分子中活化分子所占的比例越小 化学反应的速度就越小 化学反应就进 行得慢 活化分子的能量高于非活化分子 科学家们把活化分子的平均能量与所有分子的平均能量的差值 称为 活化能 由此我们可以想见 在一定温度下 如果一个化学反应的活化能越大 则意味着活化分子百分 数就越小 设想 如果山越高的话 那么翻越过这座山所需花费的精力和体力就越大 很显然 能翻越 过山的人就越少 其结果是这个化学反应的速度就越小 反之亦然 要加快化学反应速度 很显然必须要增大活化分子百分数 最常用的办法之一是升高温度 温度升高后 分子具有的平均能量增大了 温度越高微粒运动速度越快 使得更多的分子能越过 分界线 而成为 活 化分子 于是活化分子百分数增大了 这就是为什么升高温度能增大化学反应速度的原因 这就相当 于给村民进行身体素质训练 使得村民们具有更充沛的体能 于是更多的村民能越过高山 要增大活化分子百分数 除了升高温度以外 还有其他办法吗 你不必绞尽脑汁 因为 愚公 已经找到了 解决办法 在一个化学反应中 使用了催化剂后 能有效地降低化学反应的活化能 从而增大活化分子 百分数 显著地加快了化学反应的速度 这就相当于愚公的 另辟蹊径 开掘了一条从较低山上通过的 山路 于是更多体能较差的人也能翻越而过 所以 我们不难发现 催化剂使化学反应速度加快的根本原因是催化剂能降低化学反应的活化能 增大 活化分子百分数 最终实现化学反应速度的增大 其实 类似的例子在我们生活中比比皆是 在一次期中考试中 班级里大部分同学都不及格 只有少数 平时学习成绩优异的学生才考及格 那么 在期末考试时 要想让更多的同学能够考及格 类似于增大 活化分子百分数 一个办法是通过大量补习和复习 使学生们对知识掌握的水平能够提高 类似于升 高温度 从而更多的人能顺利通过考试 另一个办法则更简单 只要期末考试试卷出得简单些就行了 类似于使用催化剂后降低了化学反应的活化能 这样也能保证更多的学生能考及格 你看 催化反 应并不神秘 其实 很多科学现象所蕴涵的科学道理和知识 是和我们生活中的许多经验和常识相通的 你看 关于催化作用原理的问题 就这样被 破解 了 其实 催化作用的原理 是由许多科学家经过异常 艰苦的研究 在总结大量事实经验的基础上形成的 得益于前人的工作 我们今天能深入地理解催化原 理 而关于催化原理中一些尚未研究透彻的问题 还有赖于科学家们更深入的研究 二 掀起你的盖头来 催化剂有哪些特点 世间万物都是这样 外行看热闹 内行看门道 而看似神秘的催化作用 其 本质 一旦被看穿 就如同 玄妙的魔术被揭秘一样 成为了 众人皆知的秘密 在对催化原理的研究过程中 科学家们对催化剂所具 有的特性进行了科学的归纳 总结出了催化剂的一些特性 对催化作用本质及催化剂特性的深入认识 有助于科学家们从原先 瞎猫碰死耗子 似地试验催化剂 逐步变为有目的 有意识地寻找 研制各种新型 高效的催化剂 那么 催化剂究竟具有哪些特性呢 特定的催化剂只对特定的化学反应有效 这常被称为催化剂的 选择性 当然 这种选择也是一种 双向 选择 这就意味着 并不存在一种催化剂 能够催化一切的化学反应 一般情况下 某种催化剂只对特 定的某个或某类化学反应具有催化作用 同时 也不存在一个化学反应 所有催化剂都能对其有催化作 用 一般而言 某个化学反应 能够对其具有催化作用的物质并不会很多 而且催化效率也有差异 借 用一个术语 催化剂并不具有 广谱性 在化工生产中 经常会有这样的情况 原料在反应条件下可能发生多个化学反应 产生多种产物 其中 一般只有一个反应是人们希望发生的 常称为主反应 其产物 常称为主产物 是人们需要制取得到 的 而另外一些反应 人们并不希望其发生 因为这些反应不仅浪费了原料 而且反应的产物混杂在主 产物中 使得产物的纯度降低 化工生产上常把这些伴随着主反应发生的反应称为副反应 把副反应的 产物称为副产物 如何减少副反应的发生 减少生成副产物的量 是几乎每一个化工生产反应都要考虑 的问题 在这方面 催化剂的 选择性 有着重要的作用 因此 在化工生产中 科学家们常常会利用催化 剂对反应的选择性 使用特定的催化剂 选择 主反应而排斥其他副反应 使得主反应加速 从而得到较 多的主产物 减少其他副反应和副产物 例如乙醇在高温时可发生脱氢反应变成乙醛 也可发生脱水反 应变成乙烯 银催化剂能催化前一个反应 而氧化铝催化剂则能催化后一个反应 很显然 工业上用乙 醇脱氢制乙醛 应该使用银催化剂 这能最大限度地减少产物中副产物乙烯的量 而如果不慎选用了氧 化铝催化剂 那结果只能是适得其反 催化剂要在特定的条件下才能发挥其最佳效果 夏天天气炎热 我们会觉得懒洋洋的 学习 工作起来 无精打采的 冬天天气寒冷 人冻得瑟瑟发抖 肯定也会影响学习 工作的状态 适宜的温度 是我们 学习和工作高效率的保证 其实 催化剂和人一样 也需要有一个最佳的工作条件 例如合成氨使用的 铁催化剂 其最佳工作温度为 500 左右 在这个温度下 它的催化能力是最强的 正基于此 工业上合 成氨的温度通常控制在 500 左右 当然 不同的催化剂所需的最佳温度并不相同 合成氨的铁催化剂需 要在 500 左右使用 而有些催化剂在 500 可能早就因为高温而失活了 所以 应根据催化剂的本性选 择最适宜的反应条件 而不能 依样画葫芦 工业催化剂通常还需要一定的载体和助催化剂 俗话说得好 一个篱笆三根桩 一个好汉三个帮 催化 剂也是如此 一种工业催化剂要达到优异的催化性能 光有活性物质是不够的 通常情况下 工业催化 剂里除了起核心作用的催化活性物质外 还可能包含载体和助催化剂 为了更好地实现催化剂催化效果 除了活性物质外 科学家们在催化剂里加入另外的一种或几种物质 来增强催化剂的催化作用 所加入 的物质称为助催化剂 例如 在合成氨的铁催化剂里加入少量的氧化铝和氧化钾作为助催化剂 可以大 大提高催化剂的催化能力 助催化剂的作用非常有趣 也非常有用 助催化剂本身不具有催化活性 也就是说 单独使用助催化剂 是不会产生任何催化效果的 但助催化剂能 协同 催化剂更加出色地完成 催化任务 而载体也是一样 载体本身一般并不具有催化活性 但载体可以支持活性物质 即 给活性物质安个家 通过载体 不仅可 以使催化剂具有合适于工业生产的形状 尺寸大小和机械强度 同时也能使活性物质均匀地分散在载体 表面 更有利于催化剂与反应物充分接触 提高催化效率 应该说 催化剂的载体真正地体现了 为她人 做嫁衣裳 的 高尚风格 常用的载体有氧化铝载体 硅胶载体 活性炭载体 硅藻土载体等 还有新型 的分子筛载体等 比如前面讲到的工业制硫酸的重要反应 二氧化硫催化氧化成三氧化硫 其催化剂 是五氧化二矾 通常以硅藻土为载体 以硫酸钾等碱金属的硫酸盐作为助催化剂 这样才能获得最佳的 催化效果 工业催化剂的使用和更新为现代工业生产的迅猛发展提供了动力和保障 但也有人打着催化剂的 幌子 招 摇撞骗呢 不信 你看下去就知道了 三 催化剂并不万能 揭穿 水变油 的骗局 我们生活在一个科技昌明的时代 但不可否认的是 科学技术发展进步的历程并非一帆风顺 这期间 人们曾有过许多错误的理论 观点以及不切实际的想法 这其中有很多理论在当时被许多人所接受 也 有许多科学家曾孜孜不倦地追求以实现这些 空想 例如 化学上曾有过著名的 燃素说 当时的科学家 认为物质能够燃烧是因为其中含有一种称为 燃素 的物质 物质燃烧后燃素损失 剩下的灰烬由于不含燃 素而无法燃烧 这一观点曾长期统治化学界 当然我们现在都知道 燃烧一般是可燃物在氧气的存在下 达到一定温度后发生的反应 可燃物中并不存在什么虚无缥缈的 燃素 同样著名的还有 永动机 的研制 历史上曾有不少人有过这样美好的愿望 制造出一种不需要任何动力就 能运行 可以源源不断地对外界做功的机器 一旦这种机器研制成功 人们就不必为能源紧缺而犯愁 可以无中生有地创造出巨大的财富 正是基于这种巨大的诱惑 无数科学家为之努力 有人甚至为之付 出了毕生的心血 却都以失败而告终 在科学的历史上 对永动机的研制从没有成功过 能量转化和守 恒定律的发现 使人们认识到 能量既不能凭空产生 也不能凭空消失 只能从一种形式转化成另一种 形式 例如电热器把电能转化成热能 或者从一个物体转移到另一个物体 在转化和转移过程中能量 的总和不变 能量转化和守恒定律证明了只能使能量从一种形式转化为另一种形式 而不能无中生有地 制造能量 因此 永动机是根本不能能制造出来的 当然 我们无须回避科学道路上的种种坎坷 也无权苛责那些曾作出错误论断的科学家们 毕竟 他们 失败的经验是后人成功的基石 不过 如果现在还有人在鼓吹自己已研制成功永动机之类的话 那么 这个人不是没有头脑 就是别有用心 类似的事件我们还听过 这就是 水变油 水变油 不是什么新鲜事了 自从汽油被广泛地用作汽车等交通工具的燃料后 水变油 便成了一个热门 的话题 汽油来自于石油 要得到汽油 除了石油的开采和运输等 还需要经过石油炼制等工业生产 这些都需要一定的成本 而且随着石油资源短缺以及石油价格飙升 汽油的价格也随之水涨船高 水 存在于我们周围 几乎可以认为是取之不尽 用之不竭的 因此 如果能实现将廉价的 来源极其广泛 的水变成汽油 就可以彻底摆脱石油资源的限制 并极大地降低汽油的成本 这是多么诱人啊 水与汽 油 看起来似乎也有些相似 它们常温下都是液体 而且 它们都含有氢元素 水含有氢元素与氧元素 汽油含有氢元素与碳元素 于是 怀着美好的憧憬 科学家们开始 上路 了 不过 事与愿违 水变油 终未成功 值得庆幸的是 有许多人明白了 水变油 是不可能的 就此罢手 让人遗憾的是 很多人依然 执迷不悟 誓将 水变油 进行到底 但更令人痛恨的是 有些人明知 水变油 不可行 但仍鼓吹 水变油 已研制成功 然后通过并不高明的骗术或忽悠别人 或借此出名 或骗钱敛财 这种人令人痛恨 但因为他们常常借 助一大堆或许他们自己也不甚明了的高科技术语 专业名词 把假相说得天花乱坠 因此言辞常颇具迷 惑性 例如 曾有人声称研制了一种特殊的催化剂 将这种催化剂加入水中 水就能发生反应变成汽油 你看 水变油 的过程因为有了催化剂的 帮助 似乎就变得顺理成章了 催化剂 那是多么神奇的物 质啊 那么多重要的化工生产过程都需要催化剂 区区水变油 有了催化剂自然也不在话下 由此 许 多人就上当了 这些人之所以会上当 归根结底还是对催化剂不够了解 因为催化剂虽然 神奇 但并不 万能 催化剂并不能解决一切问题 那么 催化剂的 有所为 有所不为 究竟体现在哪些方面呢 科学家通过研究 证明了催化剂只能催化实际能够发生的反应 而对于本来就不能发生的反应 催化剂 是无能为力的 我们前面了解的合成氨反应 二氧化硫的氧化等反应 都是实际能够发生的反应 只不 过在通常的情况下这些反应进行得较为缓慢 难以达到工业规模化生产的需求 催化剂的作用只不过是 增大反应的速度 促使这些反应进行得快一些 而对于理论上不能发生的反应 再 神奇 的催化剂也不可 能促使其发生 水是氢元素和氧元素的化合物 汽油是一种碳氢化合物 两者的元素组成并不一样 水 变成油 是一个在化学上无论如何也推导不出的反应 根本不具有可行性 因此 不管研制出什么样的 催化剂 都不可能使水变油反应变成现实 很显然 如果催化剂有了使水变油的奇妙作用的话 那么还 会有更多的 水变酒 水变奶 水变果汁 等催化剂的出现 似乎只要有水 就一切 OK 了 这显然很 可笑 其实 催化剂的这一特性有着普遍意义 对于某个化学反应 如果本身不具备发生的条件和可能性 那 么再 神奇 的催化剂也无法改变这一事实 如果说 是合成氨催化剂的研制成功 催化 了第一次世界大战 发生的话 那么 威廉二世统治世界的野心和发动战争念头是战争爆发的核心因素 假想一下 如果威 廉二世是一个和平主义者 别说合成氨了 就算是当时德国已经 独家 研制成功核武器 如果没有发动战 争的动机 那么这场战争就没有发生的可能性 至少不会由德国率先发动 催化剂的作用永远只能是 催化 不能被无限扩大 如果你现在已经明白了催化剂只能改变反应速度 而无法使实际不存在的 不能发生的反应变为现实的 话 那么恭喜你 你已经对催化剂的作用有了最初步的认识 不过 这只是 万里长征第一步 道高一 尺 魔高一丈 这不 水变油 又有了新的 变种 有人声称 已研制出一种催化剂 能使水源源不断 地分解成氢气和氧气 氢气是一种优质 清洁的能源 从某种意义上将 比汽油更具应用前景 因此这 不也就实现了 水变油 了吗 很显然 这一说法更具有迷惑性 因为水的确能分解成氢气和氧气 这一反 应在化学上是可行的 例如 在水中插入电极通直流电 水就能发生分解生成氢气和氧气 似乎 只要 能利用催化剂使水分解反应变得更快 更高效 就完事具备了 不过很遗憾 这同样也是有问题的 因为 催化剂虽然能改变反应速度 但无法改变化学反应的热效应 我们都知道 化学变化一般伴随着能量的变化 这种能量的变化就是化学反应的热效应 例如 如果有 2 克氢气完全燃烧 即氢气与氧气发生化学反应 生成 18 克液态的水 就能释放出约 286 千焦的热量 这也就是为什么氢气能作为燃料的原因 但这热量并非批凭空产生 在氢气燃烧放热的过程中 一部分 化学能转变成了热能而释放出来 所以 总的能量仍然是守恒的 这并不奇怪 也无庸疑义 因为化学 反应同样也遵守能量守恒定律 另一方面 科学家通过测算得知 如果有 18 克水分解生成氢气 2 克 和氧气 必然要吸收 286 千焦的能量 这就意味着 氢气和氧气结合成水放出的能量与把水分解为氢气 和氧气所需要的能量是一样多的 很多家用制氧机的工作原理 就是通过电流电解水得到氢气和氧气 这一过程中消耗了电能 为水分解 这个化学反应提供了必须的能量 而且随着反应的不断进行 能量须源源不断地持续地予以提供 一旦 无法提供能量 如关闭电源开关或停电 反应就会终止 而科学家经过大量研究实践证明 催化剂无 法改变化学反应的热效应 这也就意味着 催化剂虽然能改变反应速度 却无法使反应过程中释放或者 吸收的能量的大小发生改变 因此 即使能研制出一种催化剂 可以使水分解成氢气和氧气的速度加快 但这一反应仍必须提供大量的能量才能实现 所须提供的能量理论上与制得的氢气燃烧所能释放的能量 相同 但实际上由于损耗 所须提供的能量要相对大得多 所以说 通过消耗大量的能量分解水制得 氢气 再将氢气用作燃料获取能量 这一过程只有在某些特殊的情况下才会这样做 如运载火箭常以液 氢作为燃料 这时就需要先制得原料氢 主要是通过电解水 再将原料氢液化成液氢 但算一算成本 谁也不会把这一应用推而广到千家万户的生活中 而指望不消耗能量或少消耗能量 通过 催化水分解 实 现能量的 无中生有 则无异于缘木求鱼 更加荒唐 不过 水分解制氢气并非完全不可取 在现实的科 学研究中 科学家们已研制出特殊的装置 能够利用太阳光将水分解为氢气和氧气 这一过程中消耗的 是光能 但这一应用尚处于研究之中 因成本等问题离大规模实际应用还有很大的距离 况且 光解 水需要太阳光能 这与 仅利用催化剂就能实现水分解 是有天壤之别的 看来 无论是 水变油 的始作俑者 还是之后将各种 水变油 的骗术加以 改良 的骗子们 都在费尽心机 打着科学的旗号实施 伪科学 我们也可以想见 在今后 水变油 还会生出更多的 变种 也会更具迷 惑性 不过不要怕 科学的头脑和扎实的知识 是战胜 伪科学 的有力武器 看来 从根本上了解 认识催化剂的作用 还是有很重要的意义的 那么 催化剂能帮助我们得到更多 的产品吗 如果你脱口而出回答 能 那么很遗憾 你对催化剂及催化作用特点的认识还存在 盲区 这 个问题很有迷惑性 但答案是明确的 催化剂不能帮助我们得到更多的产品 这究竟为什么呢 我们就以前面讲过的氮气和氢气合成氨反应为例来加以阐述 合成氨反应的原料是氮 气和氢气以体积比 1 3 混合的气体 混合气体进入合成塔后 氮气和氢气在高温 加压和铁催化剂的催 化作用下反应生成氨 随着反应的进行 氮气和氢气的量因反应被消耗而不断减少 氨的量则不断增加 但当反应进行到一定程度时 氮气和氢气的量将不再减少 而氨的量也将不再增加 这时我们称合成氨 这一化学反应达到了 平衡状态 科学家们经过测定 合成氨化学反应达到 平衡状态 时 合成塔中是 氮气 氢气和氨的混合气体 其中氨的量 体积分数 只有不超过 20 实际上 不仅是合成氨 工业 生产中的许多化学反应都是无法进行到底的 这就意味着 对这些反应而言 反应物不可能百分之百地 转化为产物 反应最终只会达到反应物和产物以一定比例 和平共存 的平衡状态 对合成氨反应而言 反应的温度和压强都能够改变反应的平衡状态 在不同的温度或不同的压强下 平 衡混合物中氨的比例是不同的 但是 催化剂是不能改变合成氨反应的平衡状态 事实上 催化剂不能 改变任何一个反应的平衡状态 这意味着 催化剂的加入只能增大反应速度 并不能增加产量 即 催 化剂的使用能够增加单位时间内得到产物的量 而并不增加得到产物的总量 而所谓的催化剂的量用 得越多 得到的产物就越多的观点则更属无稽之谈 同样 如果一个设备中的合成氨反应已经达到平衡 状态 这时候再加入铁催化剂 哪怕加的量再多 也不会对平衡产生任何的影响 所以说 想通过使用 催化剂帮助我们得到更多量的产品 这只能是 竹篮打水 一场空 现在 你一定认识到了 催化剂虽然很 能 但并不是万能的 催化剂只能对原本就能够发生的反应起作 用 借用一些术语来说 催化剂能够实现的是化学反应的 量变 即反应速度由快到慢 而不能实现 质变 即不能使原本无法发生的反应变为可能 催化剂能够改变化学反应的速度 但不能改变化学反 应过程的热效应 化学反应过程中要吸收多少热 会放出多少热 决不会因为使用了催化剂而有增减 催化剂不能改变反应的平衡状态 要想通过加入催化剂而得到更多产物的想法是不切实际的 工业生产 中催化剂的使用主要为的是解决反应速度和生产效率的问题 到这里 我们可以用一个相对比较完善的定义来描述催化剂了 催化剂是一种能够改变化学反应的速 度 却不改变化学反应的热效应和平衡状态 本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质 虽然 催化剂不能实现 水变油 但催化剂还是有很重要的作用的 在现代化的工业生产中 催化剂扮演 着举足轻重的角色 从而成为现代化工业生产的 核心竞争力 不能没有你 工业生产与催化剂 没有催化剂就没有现代化的工业 这是许多有识之士的共同观点 如果没有催化剂 大量的化学反应就 不可能达到理想的速度 因而也无法实现大规模的化工生产 所以说 催化剂是随着现代化学工业的发 展而产生的 而同时 催化技术的发展也推动了现代化学的发展 工业生产中 催化剂是提高化学反应速度 控制化学反应方向的最为有效的手段之一 对于一个有用的 化学反应 是否能实现工业生产 必须要考虑产率问题和速度问题 产率关心的是反应能进行到什么样 的程度 而速度衡量的是化学反应进行的快慢 即反应达到合适的产率需要多长的时间 设想 如果一 个化学反应在工业上达到适合的产率需要花很长的时间 那么这个反应是否具有工业生产价值就存在疑 问 因为工业生产是要讲求效率的 在工厂 设备规模限定的前提下 提高产量最有效的途径 就是在 单位时间内获得更多的产物 也就是增大化学反应的速度 而这 恰恰是催化剂所擅长的 工业生产中催化剂的选择 在许多工业生产中 催化剂作为一种必不可少的原料 是生产最重要的条件之一 这就意味着 要获得 较高的生产效率 必须选择与生产相适应的催化剂 实际工业生产中 对于催化剂的选择是一门重要的 学问 或许你会说 这有什么难的 选择催化剂不就应该选择催化效率最高的吗 是的 不可否认 催 化效率是选择催化剂要考虑的重要因素 但不是惟一因素 光有高的催化效率是不够的 有时候太高的 催化效率反而会影响生产效率 你一定感到糊涂了吧 没关系 看下去你就会明白的 根据经验 一个好的工业催化剂应该同时具备适宜的催化效率 较高的选择性和较长的使用寿命 首先是催化效率 通常 为了提高工业生产的效率 应该选择使用催化效率更高的催化剂 但这并不是 绝对的 比如 对于某些热效应较大 即反应过程中会释放较多的热量 的化学反应 如前面述及的二 氧化硫的氧化反应 催化剂的催化效率如果过高的话 反应会在单位时间内放出大量的热量 如果这些 热量不能及时 有效地从反应容器中被排走 则会导致反应容器中的温度急剧升高 温度的升高不仅会 影响反应的产率 而且过高的温度会破坏催化剂的最适宜的温度条件 引起催化剂的烧结 从而丧失催 化功能 所以 过犹不及 同样适用于催化工业生产 其次是催化剂的选择性 催化剂如果具有较高的选择性 则可以选择性地催化工业生产所需的主反应 而大大减少副反应的发生和副产物的生成 这不仅可以增大原料的利用率 而且可以简化反应后产物的 净化 提纯处理等流程 节约成本 设想一下 如果一种催化剂对主反应具有很高的催化效率 但这个 催化剂 不分敌我 对于各个副反应也同样具有很高的催化效率 甚至催化效率比主反应还要高 那么这 个催化剂的高效率只能是 帮倒忙 不具有现实意义 你一定熟悉拳王阿里吧 1996 年亚特兰大奥运会开幕式上 拳王阿里用颤抖的手点燃火炬的一幕令人动 容 曾经在拳台上天下无敌的阿里患有帕金森氏症 有一种称为多巴的药物 能有效地治疗帕金森氏症 但多巴存在两种结构 一种称之为左旋分子 对治疗帕金森氏症具有疗效 另一种是右旋分子 没有治 疗效果 由于这两种分子的组成完全一样 只是在结构上存在细微的差别 化学上称这两种物质为对映 异构体 因此用常规的手段很难分离开 要分离这两种物质 必须用成本极高的分离手段 1974 年 美国孟山都公司开发出了具有很高的选择性的催化剂 能在合成反应中选择性地催化左旋多巴的生成反 应 使得产物几乎不含右旋多巴 这一成果使左旋多巴成为治疗帕金森氏症的首选药物 时至今日 左 旋多巴仍 活跃 在治疗帕金森氏症这一 战线 造福了无数患者 这一革新的例子 可以说是化学生产中 利用催化剂的选择性的经典之作 而当时供职于孟山都公司 对这一合成反应居功至伟的威廉 诺尔斯 也终于因这一研究而获得 2001 年诺贝尔化学奖 当时他已经 84 岁了 诺贝尔化学奖对他而言或许是个 迟到的荣誉 但也确是名至实归 第三是催化剂的寿命 也就是催化剂的稳定性 催化剂虽然不是反应物 不会随着反应的进行而被消耗 掉 但由于实际工业生产环境的影响 如高温 反应物中存在杂质等 都可能导致催化剂中毒 烧结 积炭等现象出现 而令催化剂的催化能力减弱或失去 这种现象叫做催化剂的失活 催化剂失活后 为了恢复催化剂的催化效率 就必须对催化剂进行处理以恢复催化活性 即催化剂的再 生 或者更换新的催化剂 但无论哪种办法 都会造成生产的停顿 导致生产效率的下降 而对于一 些要连续性工作的大型生产装置 停工更换催化剂 造成的损失是难以弥补的 这就要求工业生产中的 催化剂 尤其是连续生产装置中使用的催化剂 应该具有较好的 免疫力 有优良的稳定性 具备较长的 使用寿命 如果某种催化剂具有较高的催化效率 而且选择性也很高 但就是太过 娇贵 好似 温室里 的花朵 经受不起工业生产的 恶劣条件 动不动就要 罢工 失活 那么 这种催化剂也不具备应 用于工业生产的价值 在现代石油炼制及石油化工中 催化剂的耗费占了生产成本中很大一部分 有很多催化剂价格很高 尤 其部分以铂 钯等贵金属为原料的催化剂则更加昂贵 所以 催化剂的稳定性和使用寿命对于降低成本 提高生产效率具有重要的意义 当然 即使再耐用 稳定的催化剂 在反应中也有可能发生极其微小的 催化能力的改变 经过长时间的运转而累积起来 最终也会造成催化能力下降乃至失活 所以 如果我 们一定要开发出 永不磨损 一颗永流传 的催化剂 实现 一劳永逸 显然也是不现实的 其他诸如价格等 也是选择工业催化剂时必须考虑的因素 这里不再赘述 当然 很多时候由于受实际 条件的限制 要寻找到一种 十全十美 面面俱到 的催化剂是很难的 又要马儿跑 又要马儿不吃草 虽然这是追求的目标 但在工业生产上往往可遇而不可求 而这时 就应该综合考虑整个工业生产过程 把握住关键的方面 在某些方面作出牺牲 工业催化剂的选择和开发是一项技术性很强的工作 一种催化剂要能够真正投入生产应用 必须经过大 量的试验 综合各方面的情况加以评价 随着技术的不断进步 每年都会有许多新的催化剂被研制开发 出来 应用到实际生产中 替代老的催化剂 在工业催化剂的选择上 没有最好 只有更好 从这个意 义上说 工业催化剂的更新换代是永无止境的 餐桌上的催化 人造奶油与油脂氢化 你一定吃过很多种奶油制品吧 奶油的那种自然 香浓 让人垂涎三尺的美味一定令你回味悠长 奶油 又常称为白脱 黄油 是一种大家都喜欢的食品 顾名思义 奶油是从牛奶中提取出来的 其中大部分是 油脂 还含有水分 乳糖 蛋白质 矿物质 维生素等等 虽然现在很多人对奶油敬而远之 但你是否 知道 在历史上 享用奶油曾经只能是贵族的特权 而且一度人们还为吃不到奶油而犯愁 早在公元前 3000 多年 人们就已掌握了奶油的制作方法 将牛奶放置在桶里 一段时间后 牛奶表面就 会产生一层奶皮 把奶皮捞出来装在一个口袋里 经过反复的拍打和搓揉 就能制得奶油 当然 这种 方法既费时费力 奶油的产出量也少 随着奶油制造工艺的不断进步 奶油的产量越来越大 品质也越 来越好 奶油逐步成为人们厨房中 餐桌上的必备品 但是 不管奶油的制造工艺如何改进 其原料 牛奶都是必不可少的 这就引发了一个问题 一旦牛 奶的产量受影响 奶油的生产也就不可避免地受到影响 这不是杞人忧天 事实上 历史上因为这个原 因导致的 奶油 荒曾多次发生 正如很多其他物品一样 拥有时并不珍惜 一旦失去就能感受到它的价值 为此 科学家们曾花大力气研究生产奶油的其他方法 以减少奶油生产对于牛奶的依赖性 当然 这还 得从奶油本身说起 说起奶油的主要成分 油脂 我们并不陌生 它是人体必需的一种营养素 在我们的日常生活中 富 含油脂的东西并不少 牛油 猪油等动物中含有的油脂通常是固态的 人们也把它称为脂肪 而从大豆 花生 葵花籽等富含油脂的植物及其果实中也能提取出液态的油脂 人们把它称为油 其实 油脂也就 是呈固态的脂肪和呈液态的油的统称 在牛油 猪油 奶油等固体动物油脂中 含有较多的饱和脂肪酸酯类 饱和脂肪酸酯是饱和脂肪酸形成 的酯 也就是说 其分子中不含有碳碳双键 其含氢的原子数达到最多 即饱和 相反地 大豆油 花生油等液体植物油脂 含有较多的不饱和脂肪酸酯类 不饱和脂肪酸酯意味着分子中含有一定数量的 碳碳双键 其氢原子数还没有饱和 分子中氢原子数有没有达到饱和 是导致了动物油脂呈固态而植物 油脂呈液态的主要原因 既然如此 那么事情似乎就变得很简单了 我们只要使不饱和脂肪酸酯变成饱和脂肪酸酯 不就可以实 现植物性油脂到动物性油脂的 历史性转变 了吗 这一变化在理论上是可行的 使不饱和脂肪酸酯与氢气 发生反应 反应过程中碳碳双键变成单键 在原双键碳原子上各增加了一个氢原子 这一反应在化学上 称为 加成反应 或 加氢反应 加氢反应 看似简单 但要切实地实现这个反应过程 却还有些难度 简单地将植物性油脂与氢气混合在 一起 可能历经几小时 几天甚至更长的时间 都不会看到有发生反应的迹象 你可能已经想到 要顺 利地实现这个反应 离不开催化剂的帮忙 19 世纪末期 法国化学家萨巴第埃在研究有机化合物的催化反应时 发现了金属镍粉具有很高的加氢催 化活性 并以镍粉为催化剂实现了催化加氢反应 萨巴第埃因为他的这一重要发现而获得 1912 年的诺 贝尔化学奖 萨巴蒂埃一生致力于对