催化劑概念的演變和發(fā)展

陳寅等

近年來有文章在討論催化劑的概念時(shí)指出：催化劑是在化學(xué)反應(yīng)中能增大反應(yīng)速率的物質(zhì)的提法不妥，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)將“增大”表述為“改變”更為妥當(dāng)。并進(jìn)一步提出：催化劑包括正催化劑和負(fù)催化劑，在化學(xué)反應(yīng)中能減慢化學(xué)反應(yīng)速率，但本身的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量在反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)，同樣也稱為催化劑。

筆者認(rèn)為上述提法是一種離開了科學(xué)發(fā)展的、過時(shí)了的觀點(diǎn)。

一、催化和催化劑

“催化”顧名思義是催促化學(xué)反應(yīng)，加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。“催化”一詞是1835年瑞典化學(xué)家J.J.Berzelius首先引用到化學(xué)學(xué)科中來的。

1902年德國化學(xué)家F.W.Ostwald將“催化”定義為：加速化學(xué)反應(yīng)而不影響化學(xué)平衡的作用。

現(xiàn)代化學(xué)對于催化劑的正確表述為：“能顯著提高化學(xué)反應(yīng)速率，其自身的組成和數(shù)量在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)稱為催化劑。催化劑改變化學(xué)反應(yīng)速率的作用稱催化作用，它本質(zhì)上是一種化學(xué)作用。”

催化劑為什么能加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行呢？這是因?yàn)樵诖呋磻?yīng)過程中，至少有一種反應(yīng)物與催化劑發(fā)生了某種形式的化學(xué)作用。由于催化劑的介入，化學(xué)反應(yīng)改變了進(jìn)行的途徑，而新的途徑需要的活化能較低。降低化學(xué)反應(yīng)的活化能就是催化得以提高化學(xué)反應(yīng)速率的根本原因。例如，強(qiáng)酸可以催化羧酸和醇的酯化反應(yīng)，這是由于強(qiáng)酸電離的質(zhì)子參與了酯化反應(yīng)，使羧酸質(zhì)子化，質(zhì)子化了的羧酸更易與醇的羥基上的氧原子結(jié)合，生成中間體的能量降低，因而降低了活化能，加快了酯化反應(yīng)的進(jìn)行。而該強(qiáng)酸在反應(yīng)前后沒有發(fā)生變化。

二、負(fù)催化劑的提出和修正

在20世紀(jì)50年代以前，由于發(fā)現(xiàn)了一些物質(zhì)可以終止自由基反應(yīng)，有的物質(zhì)可以降低催化劑的催化效應(yīng)，因此有人提出了“負(fù)催化劑”的概念。化學(xué)發(fā)展的事實(shí)表明這種提法是不妥的。可以終止自由基反應(yīng)的物質(zhì)，往往是一種可以跟自由基結(jié)合或本身變成穩(wěn)定自由基的物質(zhì)。這種物質(zhì)在反應(yīng)前后的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都發(fā)生了改變，現(xiàn)在把它稱為自由基的淬滅劑或抑制劑。

由催化劑帶進(jìn)反應(yīng)而降低催化劑催化活性的物質(zhì)，在反應(yīng)前后發(fā)生了改變，現(xiàn)在稱之為催化反應(yīng)的抑制劑。若是由反應(yīng)物帶進(jìn)催化反應(yīng)而降低反應(yīng)速率的物質(zhì)，它能使催化劑中毒，現(xiàn)在稱其為催化毒物，其在反應(yīng)前后發(fā)生了改變。例如，硫化氫就是鉑催化劑的毒物。因此，不可能找到既能提高化學(xué)反應(yīng)的活化能，其本身又在反應(yīng)前后不變的物質(zhì)。

美國《不列顛百科全書》中關(guān)于催化劑和催化反應(yīng)也有如下表述：能增加反應(yīng)速率而其本身并不消耗的物質(zhì)。為降低化學(xué)反應(yīng)的速率向反應(yīng)中添加的另外物質(zhì)稱為抑制劑，這種作用稱為抑制或阻滯作用，有時(shí)也稱為負(fù)催化反應(yīng)。

因此，20世紀(jì)60年代以后在科學(xué)界已經(jīng)基本不再討論“負(fù)催化劑”了。如果現(xiàn)在還有教科書提到“負(fù)催化劑”或把催化劑的概念講成是“改變化學(xué)反應(yīng)速率的物質(zhì)”那么就可能需要進(jìn)行修改了。

綜上所述，有些使反應(yīng)減慢的物質(zhì)曾被稱為“負(fù)催化劑”，例如鏈反應(yīng)中加入的抑制劑或催化反應(yīng)中的毒物，研究表明，它們本身也發(fā)生了變化，故相應(yīng)改稱為抑制劑或催化毒物。

（收稿日期：2013-11-15）