神奇助手催化劑

100多年前，有個魔術(shù)“神杯”的故事:有一天，瑞典化學(xué)家貝采利烏斯在化學(xué)實驗室忙碌地進行著實驗，傍晚，他的妻子瑪麗亞準(zhǔn)備了酒菜宴請親友，祝賀他的生日。貝采利烏斯沉浸在實驗中，把這件事全忘了。直到瑪麗亞把他從實驗室拉出來，他才恍然大悟，匆忙地趕回家。一進屋，客人們紛紛舉杯向他祝賀，他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當(dāng)他自己斟滿第二杯酒干杯時，卻皺起眉頭喊著:“瑪麗亞，你怎么把醋拿給我喝!?”瑪麗亞和客人都愣住了，仔細(xì)瞧著那瓶子，還倒出一杯來大家品嘗，一點兒沒有錯，確實是又甜又香的蜜桃酒呀!

工業(yè)生產(chǎn)上使用的各種催化劑

見采利烏斯隨手把自己倒的那杯酒遞過去，瑪麗亞喝了一口，酸得吐了出來，也說:“甜酒怎么一下子變成酸醋啦?”客人們紛紛湊近來，觀察著、猜測著這“神杯”發(fā)生的怪事。

貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)，原來酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，手指上沾滿了鉑黑，這是在實驗室研磨白金時給沾上的。他興奮得把那杯酸酒一飲而盡。原來，把酒變成酸醋的魔力是來源于白金粉末，是它使乙醇(酒精)和空氣中的氧氣起化學(xué)作用，生成了醋酸。后來，人們把這一作用叫做觸媒作用，又叫催化作用。希臘語的意思是“解去束縛”。

催化劑是化學(xué)中的孫悟空，是化學(xué)科學(xué)的一員主將。

19世紀(jì)末，在德國的一家工廠里，人們正在進行制造藍(lán)靛的實驗，需要很多的苯二酸。這種化合物在當(dāng)時價值昂貴。人們認(rèn)為，用發(fā)煙硫酸同萘作用，一定能制得苯二酸，可是一再試驗都沒有成功。有一天，化學(xué)家正在用萘做一個實驗，叫聽差取一個溫度計來。聽差偶然疏忽，把溫度計弄破了，落了一點水銀到反應(yīng)的物質(zhì)里，不料那物質(zhì)就沸騰起來，很快就形成了大量的苯二酸。誰料到水銀正是必需的催化劑，水銀像魔術(shù)師那樣變幻莫測!

20世紀(jì)初，催化劑這個魔術(shù)師才開始成為人們不可缺少的得力“助手”?；瘜W(xué)家們最早用催化劑創(chuàng)造出將空氣中的氮和氫氣合成氨的奇跡，并實現(xiàn)了合成氨工業(yè)化。1926年，人們利用催化劑將一氧化碳加氫成功地合成了人造液體燃料。以后又用催化劑合成了甲醛、乙醛、染料、橡膠等高分子聚合物。一切新的聚合物，都是新發(fā)現(xiàn)的催化劑作用下的產(chǎn)物。可以這樣說，沒有催化劑，就沒有現(xiàn)代的化學(xué)工業(yè)。

催化劑確實是一種很奇妙的物質(zhì)，它能提高我們所希望的化學(xué)反應(yīng)的速度，抑制不希望的反應(yīng)發(fā)生，而且自身在反應(yīng)過程中不被消耗，能夠反復(fù)地使用。因此催化劑對于化學(xué)工業(yè)中的技術(shù)生產(chǎn)過程是一種非常重要的物質(zhì)，僅從下面這個數(shù)字就能使我們知道它具有多么重要的意義:所有化學(xué)產(chǎn)品的90%以上，在其生產(chǎn)過程中要涉及到一種催化劑。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在人類使用的催化劑，至少有100萬種。在許多物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中，它們簡直到了“點石成金”、出神入化的地步，因而創(chuàng)造了一個又一個奇跡:

德國的哈博，用鐵作催化劑將大氣中的氮和氫轉(zhuǎn)化成氨，使農(nóng)作物產(chǎn)量得到成倍的增長。

德國的齊格勒和意大利的納塔，發(fā)現(xiàn)烯烴聚合催化劑，使人類進入了高分子時代。

美國孟山都公司用銠作催化劑，由甲醇合成醋酸獲得成功，從而改變了過去依靠糧食制醋酸的歷史。

南非以煤為原料，經(jīng)過一系列的催化轉(zhuǎn)化，終于制得了汽油。在咄咄逼人的石油危機聲中，開辟出一條以煤制油的新道路。

日本高沙公司用重金屬作催化劑，合成出薄荷醇，并且出口量占世界銷售量的1/3，從此，薄荷的生產(chǎn)再不只靠大自然了……

據(jù)有關(guān)資料介紹，現(xiàn)在人類使用的70%的橡膠、90%以上的塑料、50%以上的纖維和油漆、80%的藥品和染料等，都是通過化學(xué)催化技術(shù)制得的?，F(xiàn)在，美國化學(xué)催化工業(yè)的產(chǎn)值占其國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的20%以上。

1895年，德國化學(xué)家奧斯特瓦爾德給催化劑和催化作用下了個科學(xué)的定義:一種在化學(xué)反應(yīng)前后，本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)都不變，只是改變化學(xué)反應(yīng)速度的物質(zhì)，叫做“催化劑”。在化學(xué)反應(yīng)中催化劑的特殊作用叫做“催化作用”。于是，鉑黑被叫做氫和氧化合的催化劑，而酸被叫做淀粉水解成葡萄糖的催化劑。

不少化學(xué)反應(yīng)需在高溫高壓下才能進行，但在催化劑的作用下，可以大大降低反應(yīng)溫度和壓力，節(jié)省大量能源。原來速度很慢很慢的化學(xué)反應(yīng)，在催化劑的作用下，反應(yīng)速度可提高數(shù)百萬倍。例如，在常溫常壓下把氫氣和氧氣同時放到一個容器里，即使是過1萬年也不能化合成水?？墒?，如果向容器內(nèi)投擲一顆鉑粒，就會發(fā)生爆炸，它們劇烈反應(yīng)變成了水。由此可知，我們現(xiàn)在喝的水大部分是幾十萬年甚至幾千萬年的“古水”，而不是剛剛生成的“新水”。這一點對科學(xué)家們研究地層年齡和地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常有用。再比如合成順丁橡膠的單體(原料)丁二烯，是由丁烯氧化脫氫后制得的，十幾年前要在300多攝氏度的高溫下進行。不久前，我國化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，使這種化學(xué)反應(yīng)在200多度的溫度下就完成了。

催化作用被證明在工業(yè)上具有頭等的重要性。例如，硫酸是一種僅次于空氣、水和食鹽的重要無機化合物，而制造硫酸的最好方法就是將硫燃燒——先變成二氧化硫(SO₂)，再變成三氧化硫(SO₃)。如果不加入鉑黑一類的催化劑的話，從二氧化硫變成三氧化硫這一步就進行得像蝸牛爬行一樣慢。鎳粉末(在大多數(shù)情況下用它來代替鉑黑，因為它比較便宜)以及鉻、銅、五氧化二釩、三氧化二鐵、二氧化錳等化合物也是重要的催化劑。事實上，在工業(yè)上一個化學(xué)生產(chǎn)過程能否成功，在很大程度上取決于能否找到正好適合有關(guān)反應(yīng)的催化劑。正是由于齊格勒發(fā)現(xiàn)了一種新型的催化劑，才使聚合物的生產(chǎn)發(fā)生了一場革命。

1972年，美國總統(tǒng)尼克松在周恩來總理陪同下，來到京西燕山的石油化工總廠參觀。不巧，那天氣壓較低，從發(fā)電廠里排出的滾滾黃煙鋪天蓋地，大煞風(fēng)景，令人掃興。周總理當(dāng)即指示，一定要想辦法消滅這條嚴(yán)重污染環(huán)境的“黃龍”。半年以后，“黃龍”果真被消滅了。方法是讓黃煙通過一種含碘的活性炭。

這是什么道理?原來，發(fā)電廠冒出的煙之所以呈棕黃色，是因為高硫煤在燃燒時放出大量的二氧化硫。它是一種有害氣體，會嚴(yán)重危害人體健康和農(nóng)作物生長，在含碘的活性炭作用下，二氧化硫會迅速變成三氧化硫，三氧化硫很容易溶于水變成重要工業(yè)原料——硫酸。這樣一來，除消滅了“黃龍”之外，還可將硫酸與磷灰石(就地取材)作用生產(chǎn)過磷酸鈣肥料。據(jù)測算，一個2.5萬千瓦的發(fā)電廠，每小時排放7萬立方米廢氣，以二氧化硫濃度0.35%計算，每年可得到硫酸1.5萬噸、磷肥3.8萬噸，價值33多萬元。土耳其政府從報紙上得知這個消息以后，通過駐華使館要求購買我們的技術(shù)專利。

一種物質(zhì)盡管有時用量很少，卻能引起大量的反應(yīng)，而自己本身并不發(fā)生變化，這是怎么回事呢?

有一類催化劑實際上是參加反應(yīng)的，但它是以一種循環(huán)的方式參加反應(yīng)的，因此它能夠連續(xù)不斷地恢復(fù)到原來的形態(tài)。五氧化二釩就是一個例子，它能夠催化二氧化硫變?yōu)槿趸?。五氧化二釩把它的一個氧原子遞給SO₂，把SO₂變成SO₃，而自身變成四氧化二釩(V₂O₄)。但是四氧化二釩很快與空氣中的氧反應(yīng)。又恢復(fù)成V₂O₅。這樣五氧化二釩起了一個“中間人”的作用，把一個氧原子遞給二氧化硫，從空氣中再另取一個，然后再遞給二氧化硫，如此循環(huán)不已。這個過程進行得非常快，因此，少量的五氧化二釩就足以使大量的二氧化硫發(fā)生轉(zhuǎn)變，而最終五氧化二釩看上去并沒有改變。

1902年，德國化學(xué)家隆哥提出，上述情況可以解釋一般的催化作用。1916年，朗繆爾又向前邁進了一步，他對像鉑一類物質(zhì)的催化作用提出了一種解釋:這類物質(zhì)非常不容易起反應(yīng)，因而不可能指望它們參與一般的化學(xué)反應(yīng)。朗繆爾認(rèn)為，鉑金屬表面多余的化學(xué)鍵能夠抓住氫分子和氧分子。當(dāng)氫分子和氧分子被束縛在非?？拷K的表面時，比起它們作為一般的游離的氣態(tài)分子更容易化合成水分子。水分子一旦形成，就會被氫分子和氧分子從鉑的表面推開。鉑捕捉住氫和氧，使氫和氧化合成水，把水釋放掉，再捕捉氫和氧，再形成水，這個過程可以無休止地進行下去。

這個過程叫做表面催化作用。自然，一定質(zhì)量的金屬，粉末越細(xì)，所能提供的表面積就越大，因而進行催化作用的效率也就越高。當(dāng)然，如果有任何外來的物質(zhì)牢固地附著在鉑表面，催化劑就會失去功效，這又叫催化劑中毒。

所有的表面催化劑多少都具有選擇性或?qū)Ｒ恍?。有些容易吸收氫分子，因而能夠催化與氫有關(guān)的反應(yīng);另一些容易吸收水分子，因而能夠催化縮合反應(yīng)或水解反應(yīng);等等。

表面普遍具有能夠吸附多層分子的能力(吸附作用)，這種能力除了可以催化以外，還可以有其他用途。制成海綿狀的二氧化硅(硅膠)能吸收大量的水，把它放進電子設(shè)備里，可以起干燥劑的作用，使?jié)穸冉档?。在濕度高的情況下，電子設(shè)備的性能會受到損害。

還有，研成細(xì)粒的木炭(活性炭)很容易吸附有機分子;有機分子越大就越容易被吸附?；钚蕴靠梢杂脕硎谷芤好撋?，因為它能吸附有色的雜質(zhì)(通常分子量很大)，而留下所需要的物質(zhì)(通常無色，分子量也比較小)。

活性炭還被用于防毒面具。這個用途英國醫(yī)生斯坦豪斯早就預(yù)示到了，1853年，他首先制成了一個活性炭空氣過濾器?？諝庵械难鹾偷ㄟ^這種物質(zhì)時不受影響，但比較大的毒氣分子則被吸附。

在大自然中催化劑也起著極其重要的作用，不過它在那兒叫做酶。在物質(zhì)代謝中酶的作用是優(yōu)化一定的化學(xué)反應(yīng)，它是有選擇性的:從許許多多的供給物中選擇某種類型的分子，并將它轉(zhuǎn)化成一定的產(chǎn)品，此外這種極佳的化學(xué)反應(yīng)能在很溫和的條件下進行。人工制造的催化劑大多數(shù)不具備很強的針對性，在其工作時常常需要相對較高的溫度或壓力，但盡管如此它對保持化學(xué)合成的有效性以及生產(chǎn)成本的合理性起著決定性的作用，許多化學(xué)反應(yīng)只有通過催化劑才能順利進行。

對此我們來舉一個例子:氨(NH₃)由空氣中的氮(N₂)和氫(H₂)合成，幾十年來全世界采用哈柏－博許法生產(chǎn)了大量的氨，大約有85%的氨還被繼續(xù)加工成化肥?；瘜W(xué)家哈柏研究出了氨的合成法，后由企業(yè)家博許發(fā)展而轉(zhuǎn)化成大工業(yè)化的生產(chǎn)方式，并在1914年由巴斯夫公司采用這一方法生產(chǎn)。這里人們將氮氣(空氣中)和氫氣(水和天然氣)的混合物加熱至大約500℃的高溫，并讓它在大約20000千帕的氣壓下流經(jīng)含有微量鉀、鈣、鋁等的鐵屑催化劑，這時這兩種氣體按下列反應(yīng)公式化合成氨:

N₂+3H₂═══2NH₃

在這一反應(yīng)中催化劑的詳細(xì)功能很長一段時間無人知曉，只是到了近期，表面化學(xué)的專業(yè)現(xiàn)代化研究方法才揭示了鐵屑催化劑的作用，鐵屑催化劑在其表面與氮分子化合，并以這種方法削弱了兩個氮原子之間原本非常堅固的鏈接，這時可通過較少的能量消耗將兩個氮原子分開，緊接著，單個氮原子(還與催化劑表面相連)就會很快與氫原子反應(yīng)，化合成氨。

哈柏-博許法使得德國在第一次世界大戰(zhàn)中能大量地生產(chǎn)氨。而氨當(dāng)時是生產(chǎn)化肥尤其是生產(chǎn)炸藥所急需的，因為在戰(zhàn)爭期間從智利進口硝酸鉀(當(dāng)時是制造火藥和肥料必不可少的一種原料)已經(jīng)中斷，如果沒有工業(yè)化氨合成物的生產(chǎn)，戰(zhàn)爭也許很快就結(jié)束了。但盡管如此，哈柏和博許為化學(xué)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展所作的貢獻(xiàn)具有極其偉大和深遠(yuǎn)的意義，尤其是在催化劑的生產(chǎn)領(lǐng)域中。

如今在催化劑中最著名的是安裝在汽車中的有毒廢氣清除裝置。它能消除汽車廢氣中有毒的一氧化碳和氮氧化物等，從而對減少“酸雨”起著決定性的作用。其中起催化作用的貴金屬層是由鉑或銠構(gòu)成，它將一氧化氮還原成元素氮并同時將一氧化碳氧化成二氧化碳，這里所生成的兩種物質(zhì)都是無害的氣體。這一過程正如人們今天所知的那樣:有害物附著在金屬表面，這時氮氧化物被分解成結(jié)構(gòu)原子;氧原子在催化劑表面上與一氧化碳化合成二氧化碳，余下的氮原子則與另一個氮原子組合成氮分子。

尋找好的催化劑對于化工企業(yè)的生產(chǎn)是非常重要的，化學(xué)家為了找到好的催化劑，經(jīng)常是嘗試各種各樣的樣品，老一輩的化學(xué)家稱之“耕耘周期表”，意思就是說把周期表中的元素都試一下。如今人們積累了很多催化方面的知識，特別對催化反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)有了更多的了解，這樣，催化劑的尋找不再像以前那么盲目，而是有目的地合成特定的化學(xué)反應(yīng)需要的特殊的催化劑。