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催化劑載體和催化劑的工作原理

 催化劑載體，催化劑 ：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。

催化劑 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?！?、分子、離子等構(gòu)成的。催化劑載體催化劑 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?！肿?，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(tīng)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(tīng)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(kāi)挖山路。工夫不負(fù)有心人，幾個(gè)月后，山路終于開(kāi)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?？茖W(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?？茖W(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?。?，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(jiàn)，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?jǐn)?shù)就越?。ㄔO(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)椤坝薰币呀?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(kāi)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。