催化剂的分类--按催化反应的物相体系分类

  催化剂曾称触媒，是一类能改变化学反应速率而在反应中自身并不消耗的物质。有机过氧化物受热时，过氧键发生均裂分解成两个自由基，能引发单体进行自由基聚合，但最终进入聚合物分子链中而被消耗。严格地讲，它不是催化剂而是引发剂。催化剂通过若干个基元步骤不间断地重复循环，参加并加速热力学可行反应的速率，不能改变该反应的平衡常数，而在循环的最终步骤恢复为其原始状态。催化剂不仅能加速具有重要经济价值但速率极慢的反应（如由氮及氢直接合成氨），还能选择加速所希望产物的生成反应（如乙烯氧氯化只生成二氯乙烷）。多数具有重要工业意义的化学转化过程都是在催化剂作用下进行的，生物体内的化学转化（新陈代谢过程）也是利用酶或有机体作为催化剂来实现的。

      催化是一门科学，也是一门技术或艺术，催化反应的种类和数目与日俱增，同一种催化剂可以催化出不同的反应产物，而不同的催化剂也可催化出相同的反应产物，因此很难对催化剂作出严格分类，而是从不同的研究或应用角度作出大致分类。

                                                                                                 按催化反应的物相体系分类

根据催化剂的作用状况，催化作用可分为均相催化及非均相催化（或称多相催化）两类。均相催化是在气相或溶液中进行，催化剂是分子或离子；多相催化则发生在催化剂表面上。以酶为催化剂的酶催化实质上也属于均相催化，但习惯上将其单独列为酶催化。

（1）均相催化剂

均相反应又称单相反应，是在同一相中进行的化学反应，如气相反应及液相反应。气相反应的特点是反应物分子直接按一定的反应机理进行反应，如：

液相反应的特点是液相的密度比气相大，而且反应分子被溶剂分子隔开，必须通过扩散才能相遇，然后发生反应。通常，液相反应的反应机理远比气相反应复杂。所谓均相催化则是催化剂和反应物同处在均匀的气相或液相中所进行的催化作用。如一氧化氮催化二氧化硫

氧化成三氧化硫的反应：

催化剂NO与反应物同处于气态。又如硫酸催化乙醇和乙酸酯化生成乙酸乙酯的反应：

      催化剂硫酸与反应物均处于液相。

上述NO是气相均相催化剂，是液相均相催化剂。除上述气相催化反应及液相催化反应外，非水溶液的配位催化也是近期发展很快的一类均相催化，如由羰基钴或铑膦配合物催化烯烃和一氧化碳及氢转化成醛的羰基合成反应：

      配位催化所使用的催化剂是可溶的有机金属化合物。这类催化剂具有高活性、高选择性、有明确设计的结构、易于研究从始态到终态的反应全过程等特点。

      均相催化剂在催化体系中是以独立的分子形态而分散的，其活性中心也是以独立的分子形态存在，因此易于用现代谱仪手段获得原位反应过程中的信息，可对反应机理作出较确切的描述。但均相催化剂与产物难以分离，催化剂回收困难，有些催化剂对设备腐蚀严重，因而均相催化剂的应用不如多相催化剂那样广泛。

（2）多相催化剂

       多相反应又称非均相反应，是在多相物系的各相间进行的化学反应。反应一般在两相间的界面上进行，按相界面不同可分为气-固、液-固、气-液、液-液及固-固相反应。多相催化是指催化剂和反应物处在不同相的催化作用，相间组合方式多是催化剂为固体，反应物为气体、液体或气体加液体，或催化剂为液体，反应物为气体，而其他组合方式在催化反应中很少出现。

图1-1 多相催化反应各步骤示意

      多相催化中应用是固体催化剂体系，即催化剂是固体，反应物是气体或液体，反应物分子必须从反应物相转移到固体催化剂的表面上才能发生催化作用。从反应物到产物一般经历如图1-1所述五个串联步骤：①反应物分子从气（或液）相扩散到催化剂表面及孔道中：②反应物分子（至少一种）化学吸附在催化剂孔道内表面上：③吸附的反应物分子发生表面化学反应，包括吸附分子之间的反应，吸附分子的分解或吸附分子与气相分子发生反应；④反应产物从催化剂内表面解吸或脱附；⑤解吸的反应产物分子从孔内扩散至气（或液）相。其中①、⑤为物理过程，②～④为表面进行的化学过程，与反应工艺条件及催化剂表面结构及组成等因素有关。其中吸附是多相催化的基本步骤，而起主要作用的是化学吸附，它能使被吸附分子的化学键和电子分布发生变化，有利于进一步在表面上发生化学反应。但化学吸附强度也须适中，吸附太强会使催化剂中毒，吸附太弱反应物分子未能被活化，催化活性也就不高。吸附强度通常可用吸附热来度量。

      多相催化剂由于使用寿命长，容易活化、再生，便于工业应用，产品质量高，所以，大多数重要的工业催化过程都使用这类催化剂。

（3）酶

      酶是由生物细胞产生的，具有催化化学反应功能的生物催化剂。生物体内存在两类生物催化剂，一类是以蛋白质为主要成分的生物催化剂称为酶，另一类是以核糖核酸为主要成分的生物催化剂称为核酶。酶主要催化生物体内糖、蛋白质、核酸和酯类等物质的合成与分解代谢；核酶则主要催化核糖核酸的剪接反应。生物体内发生的化学变化主要是在酶的作用下进行。通常酶是以亲液胶体形式存在，酶分子大小约为3～100nm，酶催化可归属为介于均相与多相之间的微多相催化。根据酶所催化的反应类型，将酶分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶。迄今为止，人们已发现和鉴定出2000多种酶，其中有200多种已得到了结晶。

     酶既有一般催化剂的共性，又有催化效率高、高度专一性、活性受多种因素调节控制、作用条件温和及不稳定等特点。与其他催化剂一样，酶也只能催化和加速热力学上可能进行的反应，不影响反应的热力学平衡常数。但酶催化的反应速率比非酶催化的反应速率要快106～1012倍。如人体消化道中没有酶，消化一餐食物要花费50年的时间。酶可在温和条件下进行催化反应，反应温度为20～40℃，一般为30℃左右，反应pH值为5～8，一般为7左右。在这样的反应条件下，可减少许多不必要的副反应发生，而传统的化学催化反应，常会发生某些副反应。此外，酶催化剂的用量很少，一般化学催化剂的用量是0.1％～1％（摩尔），而酶催化反应中酶的用量为10-4%∼10-3%（摩尔）。显然，酶促反应是节省资源又无公害的理想反应，但酶由于结构复杂，目前还难于人工制备，而酶的研究及模拟对于阐明生命现象本质及工农业生产都有重大意义。

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