消除錯(cuò)誤前概念 重新認(rèn)識(shí)催化劑

范曉鳳 姜雪琴

摘要：催化劑是中學(xué)化學(xué)階段的迷思概念之一，大部分中學(xué)化學(xué)教師對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)不夠準(zhǔn)確、缺乏深度，在教學(xué)過(guò)程中易以偏概全。文章結(jié)合具體案例對(duì)催化劑的概念、特征和組成進(jìn)行辨析，并從催化劑是否參與反應(yīng)、催化劑與中間產(chǎn)物的區(qū)別等五個(gè)方面對(duì)催化劑進(jìn)行深入剖析，接著圍繞催化劑對(duì)生產(chǎn)效率的提升、催化劑的選擇性、催化劑的失活展開(kāi)討論，舉例說(shuō)明催化劑在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。

關(guān)鍵詞：催化劑;組成與特征;選擇性;催化劑失活;迷恩概念

文章編號(hào)：1008-0546（ 2019）07-0011-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.003

一、問(wèn)題的提出

催化劑是現(xiàn)代化學(xué)中關(guān)鍵物質(zhì)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約90%的工業(yè)產(chǎn)品是借助催化劑（工業(yè)上常稱其為觸媒）生產(chǎn)出來(lái)的，催化劑在化學(xué)工業(yè)中的普遍使用解決了現(xiàn)代人衣食住行中的許多問(wèn)題。高考命題注重將學(xué)科內(nèi)容與國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步、生產(chǎn)生活實(shí)際等緊密聯(lián)系，通過(guò)設(shè)置真實(shí)的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展。因此，催化劑成為近年高考的熱點(diǎn)，命題素材和熱門(mén)考點(diǎn)包括催化劑對(duì)反應(yīng)速率和生產(chǎn)效率的影響、催化劑的選擇性、催化劑的活性以及催化劑的回收等。

然而，催化劑又充滿了神秘色彩，催化機(jī)理目前尚未完全明了。教材中對(duì)催化劑的介紹也不夠深入，很多師生對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)僅停留在“催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)速率”并用“質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變”作為催化劑的判據(jù)，知道催化劑降低反應(yīng)所需活化能，加快反應(yīng)速率，不能影響平衡移動(dòng)，知其然卻并不知其所以然，且對(duì)催化劑的概念、特征、組成、活性、選擇性等知識(shí)的理解普遍存在誤區(qū)，導(dǎo)致很多學(xué)生在高考中覺(jué)得催化劑“變臉”了，難于下手。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)催化劑的要求是“認(rèn)識(shí)催化劑的研制對(duì)促進(jìn)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重大意義[1]”“圍繞催化化學(xué)……等現(xiàn)代化學(xué)研究的重要領(lǐng)域，選取化學(xué)科學(xué)研究成果的典型案例，引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)理論發(fā)展的方向和面臨的挑戰(zhàn);提供參考的選題有：催化研究的新理論、新方法[2]。由于教師學(xué)科核心內(nèi)容缺失、知識(shí)邏輯混亂，阻礙了化學(xué)核心素養(yǎng)的落地生根。筆者認(rèn)為需要對(duì)催化劑進(jìn)行更加深入的認(rèn)識(shí)以提高教師的專業(yè)能力，下文針對(duì)高中化學(xué)教學(xué)及高考中有關(guān)工業(yè)催化劑的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行探討。

二、催化劑的概念

催化劑是催化化學(xué)中最基本的概念之一，對(duì)催化劑概念的理解很重要。自19世紀(jì)三十年代貝采里烏斯提出“催化作用”的概念以來(lái)，隨著對(duì)催化作用的認(rèn)識(shí)不斷深入，催化劑的概念在不斷變化發(fā)展，在不同時(shí)期、不同國(guó)家的教材中的表述有差別（表1）。

由上面的例子可知，主要的分歧在于催化劑是“改變”反應(yīng)速率還是“加快”反應(yīng)速率。人教版《化學(xué)》使用廣泛，參照人教版九年級(jí)《化學(xué)》對(duì)催化劑的定義，對(duì)于關(guān)鍵詞“改變”，教師著重強(qiáng)調(diào)“不能片面理解為加快”，但是，人教版教材中沒(méi)有出現(xiàn)“負(fù)催化劑”一詞。催化劑參與反應(yīng)為反應(yīng)提供了一條新的路徑，使反應(yīng)所需活化能降低，而任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)總是沿著它所能選擇的“最省力”的反應(yīng)路徑來(lái)進(jìn)行。因此，從反應(yīng)機(jī)理看，催化劑加快了反應(yīng)速率。另外，從中文釋義看，“催”的釋義有：①使趕快行動(dòng)：如催促、催辦;②使事物的產(chǎn)生、發(fā)展變化加快：如催化、催生、催熟、催眠等。這兩個(gè)釋義都只有“加快”的意思。

2014年國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）已經(jīng)明確指出“催化劑這個(gè)術(shù)語(yǔ)不再用于指減慢化學(xué)反應(yīng)速率的物質(zhì)”，具有減慢反應(yīng)速率作用的物質(zhì)被稱為“抑制劑”。由此，IUPAC已經(jīng)將“催化劑”定義為“催化劑是增加反應(yīng)速率但不改變總反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能的物質(zhì)。催化劑既是反應(yīng)的反應(yīng)物，也是該反應(yīng)的生成物[7]。”很多場(chǎng)合，人們需要用抑制劑將不良反應(yīng)的速率降低。例如：雙氧水容易分解，在裝有H202的瓶子里加入一些抑制劑（如：焦磷酸鈉等，通過(guò)吸附或絡(luò)合等方式來(lái)抑制所含雜質(zhì)Fe2+等的催化作用），可以防止它過(guò)快分解，延長(zhǎng)雙氧水的保質(zhì)期。在這個(gè)過(guò)程中，絡(luò)合型穩(wěn)定劑被消耗，質(zhì)量減少了。因此，催化劑概念的教學(xué)建議與時(shí)俱進(jìn)，將“改變反應(yīng)速率”變?yōu)椤凹涌旆磻?yīng)速率”。

三、催化劑的組成

因?yàn)殡p氧水分解的催化反應(yīng)使用Mn02作催化劑，常使初學(xué)者形成錯(cuò)誤認(rèn)知：催化劑都是純凈物。事實(shí)上，工業(yè)催化劑除少數(shù)由單一物質(zhì)組成外，一般都是由多種物質(zhì)組成的混合體。一般催化劑由主催化劑、助催化劑和載體構(gòu)成。

主催化劑是催化劑的活性成分，是起催化作用的根本物質(zhì)。助催化劑是在催化劑中具有提高活性組分的活性和選擇性，改善催化劑的耐熱、抗毒和壽命等性能的組分。助催化劑通常可分為結(jié)構(gòu)助催化劑和電子助催化劑。例如：合成氨所用的熔鐵催化劑為Fe0（29%-35%）和Fe304（55%-65%）的混合物經(jīng)H2還原形成的活性鐵微晶，助催化劑的成分為Al203（2%-4%）、Mg0（3%～4%）和K20 （0.5% -0.8%）.Al203和Mg0是結(jié)構(gòu)型助催化劑，主要起骨架作用及增大催化劑表面、防止鐵微晶長(zhǎng)大和燒結(jié)的作用。K20是電子型助催化劑，幫助鐵把電子傳給氮，有利于氮的吸附和活化[8]。載體是催化活性組分的分散劑、黏合劑或支撐體，是負(fù)載活性成分的骨架。載體種類繁多，包括天然載體和人工載體，常見(jiàn)的載體有沸石、硅膠、分子篩、Al203、活性炭、硅藻土等。例如：Au、Ag、Pt、Pd等過(guò)渡金屬具有優(yōu)良的催化性能，但它們都相當(dāng)稀貴，而催化反應(yīng)卻只在催化劑表面進(jìn)行，因此選用硅膠（Si02）、γ-Al203、硅藻土、分子篩等多孔物質(zhì)作為載體，將具有催化活性的過(guò)渡金屬浸漬于上，19載體的表面積可達(dá)幾百平方米，這就大大提高了催化效率[9]。

四、催化劑的特征

中學(xué)教學(xué)中常用“質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變”作為催化劑的特征和判據(jù)。但是，實(shí)際反應(yīng)中，很多“質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變”的物質(zhì)不是催化劑。例如：鋅和稀硫酸反應(yīng)，銅可以加快該反應(yīng)的速率，雖然符合“反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變”的特點(diǎn)，但由于銅沒(méi)有參與反應(yīng)形成過(guò)渡狀態(tài)或中間物質(zhì)，沒(méi)有降低活化能，而是僅為氫氣提供吸附和脫附的載體，故銅不是鋅與硫酸反應(yīng)的催化劑。區(qū)分某種物質(zhì)是否為催化劑，需要關(guān)注催化劑的本質(zhì)特征。

催化劑有四個(gè)基本特征：第一，催化劑只能加速熱力學(xué)上可能發(fā)生的反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)上無(wú)法進(jìn)行的反應(yīng)。因此，判斷某個(gè)反應(yīng)是否需要采用催化劑時(shí)，首先要看這個(gè)反應(yīng)在熱力學(xué)上是否容許，即反應(yīng)的自由焓△G= △H- T△S<0。如：常溫常壓、無(wú)外界條件影響下，水不能自發(fā)分解為02和H2，因而不存在能加快該反應(yīng)的催化劑。第二，催化劑只能加快反應(yīng)速率，不能改變平衡常數(shù)。對(duì)于可逆反應(yīng)，催化劑既是正反應(yīng)的催化劑，又是逆反應(yīng)的催化劑。例如：一個(gè)催化劑對(duì)加氫反應(yīng)有良好效果，同樣對(duì)脫氫反應(yīng)也有效。第三，催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性。催化劑具有選擇性包含兩重含義：一是不同的反應(yīng)物應(yīng)選擇不同的催化劑;二是同樣的反應(yīng)物選擇不同的催化劑可獲得不同的產(chǎn)物[10]。第四，催化劑在特定的條件下才能體現(xiàn)出它的活性，否則將失活。從短時(shí)間看，催化劑在反應(yīng)前后化學(xué)組成等不會(huì)發(fā)生顯著變化，但物理狀態(tài)可能變化，有些雜質(zhì)還可能讓催化劑發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒。例如：氨的催化氧化的鉑絲用幾個(gè)星期也變黑了。判斷物質(zhì)是否扮演催化劑的角色，除了要從催化劑的本質(zhì)特征看，還要判斷該物質(zhì)是否為物質(zhì)實(shí)體、是否起到化學(xué)作用等因素。

五、辨析有關(guān)催化劑的幾個(gè)問(wèn)題

概念有時(shí)只反映物質(zhì)的部分屬性，在中學(xué)教學(xué)過(guò)程中介紹新的概念的時(shí)候，由于學(xué)生的認(rèn)知能力有限，很難充分理解概念的全部?jī)?nèi)涵。教師若只是簡(jiǎn)單地概括幾個(gè)注意點(diǎn)和所謂的判據(jù)，便讓學(xué)生應(yīng)用概念解決問(wèn)題，很容易造成以偏概全或錯(cuò)誤理解。錯(cuò)誤的前概念是后續(xù)學(xué)習(xí)的障礙，因此，有必要對(duì)催化劑的幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行辨析。

1.催化劑沒(méi)有參與反應(yīng)嗎？

在初中的教學(xué)中，很多師生認(rèn)為“催化劑沒(méi)有參與反應(yīng)”，證據(jù)是：反應(yīng)前后催化劑的質(zhì)量沒(méi)有改變。顯然，該證據(jù)是片面的，催化劑未參與反應(yīng)很難加快反應(yīng)速率。使用催化劑能增大反應(yīng)速率的機(jī)理主要是形成中間產(chǎn)物，從而改變反應(yīng)的途徑（或受催化劑表面的活性中心的影響，被吸附的分子會(huì)變形而與催化劑形成活潑的吸附活化絡(luò)合物），使反應(yīng)活化能降低。如：乙醇的催化氧化反應(yīng)中，銅作為催化劑，先與氧氣反應(yīng)，生成的氧化銅再與乙醇反應(yīng)變回銅。雖然催化的機(jī)理非常復(fù)雜，但可以依此建立簡(jiǎn)單的催化劑參與反應(yīng)的模型：若總反應(yīng)為：A+B=X=C+D，則過(guò)程可以是：①A+X=AX（X參與反應(yīng)，被消耗）②AX+B=C+D+X（X再生）。英國(guó)化學(xué)家欣謝爾伍德（CyrilNorman Hinshelwood），以碘蒸氣為催化劑，進(jìn)行乙醛蒸氣的受熱分解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均相催化（指催化劑和反應(yīng)物居于同一相態(tài)中的反應(yīng)，可分氣相均相催化反應(yīng)和液相均相催化反應(yīng)）的反應(yīng)速率與催化劑的濃度成正比，而催化劑的濃度反應(yīng)前后保持不變，從而證明了中間化合物理論的正確性[11]。

2.催化劑與中間產(chǎn)物如何區(qū)別？

中間產(chǎn)物與催化劑一樣不出現(xiàn)在總反應(yīng)中，但與催化劑有區(qū)別。催化劑先在反應(yīng)中消耗，再在后續(xù)的反應(yīng)中生成，而中間產(chǎn)物則相反，先生成，后消耗。如：I一催化雙氧水分解的過(guò)程為：第一步：H2O2（aq）+l-（aq）→IO-（aq）+H2O（1）;第二步：H202（aq）+lO-（aq）→I-（aq）+H20（1）+02（g）。其中I-為催化劑，IO-則為中間產(chǎn)物。

3.催化劑都是通過(guò)降低活化能加快反應(yīng)速率的嗎？

過(guò)渡狀態(tài)理論還提出了活化熵的概念，認(rèn)為由反應(yīng)物到達(dá)過(guò)渡狀態(tài)，不僅要克服能壘（類似于“爬山”），而且要考慮活化熵——找到爬的“路徑”或考慮峰頂?shù)拿娣e。活化熵越大，意味著上山的路徑比較多或峰頂大，反應(yīng)物就越容易變成活化絡(luò)合物。在阿倫尼烏斯公式中，活化熵包含在指前因子中（對(duì)于有效碰撞理論則在取向因子中）[12]。大多數(shù)反應(yīng)，活化熵對(duì)反應(yīng)速率的影響相對(duì)于活化能是可以忽略的，但有些催化劑是通過(guò)改變活化熵來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)，特別是酶催化反應(yīng)。

4.催化劑降低活化能為何能極大地加快反應(yīng)速率？

活化能相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)的“門(mén)檻”。其他條件相同時(shí)，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，反應(yīng)速率常數(shù)k=Ae （式中A為指前因子，也叫碰撞頻率因子;R為氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度，E為活化能，e為自然對(duì)數(shù)的底）。由于活化能Ea處在指數(shù)項(xiàng)上，當(dāng)指前因子A值不變時(shí)，只要稍微降低活化能，就可以使反應(yīng)速率常數(shù)增大很多。如：S02轉(zhuǎn)化為S03反應(yīng)所需活化能原來(lái)在200 kJ.m01^-1以上，使用V205作催化劑時(shí)活化能降低為92～96kJ.m01^-1，反應(yīng)速率可增大約1億倍。一個(gè)反應(yīng)可以有不同的催化劑，活化能降低的也不同。例如：H202分解為H20和1/202的反應(yīng)活化能Ea=75kJ.m01^-1。若用I-作催化劑，活化能降低為59kJ.m01^-1;若用過(guò)氧化氫酶作催化劑，可降低為25kJ.mol^-1[l3]。

5.為什么催化劑不能影響平衡移動(dòng)？

研究一個(gè)化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題。第一是：這個(gè)反應(yīng)能否進(jìn)行？若能進(jìn)行，它能夠進(jìn)行到什么程度？也就是能走多遠(yuǎn)的問(wèn)題。化學(xué)平衡的位置是由熱力學(xué)決定的：△G。=RTlnK_p。其中K_p為反應(yīng)的平衡常數(shù)，△G 是產(chǎn)物與反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)自由能之差，是狀態(tài)函數(shù)，只決定于始終態(tài)，而與過(guò)程無(wú)關(guān)。第二個(gè)問(wèn)題是：熱力學(xué)上可行的反應(yīng)進(jìn)行快慢如何？即需要多久能夠到達(dá)平衡的位置，這個(gè)問(wèn)題屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的范疇。催化劑的存在不影響△G 值，它只能縮短達(dá)到平衡所需的時(shí)間。

六、理解化工生產(chǎn)中有關(guān)催化劑的幾個(gè)問(wèn)題

1.如何理解催化劑能提高生產(chǎn)效率？

催化劑不能影響平衡移動(dòng)，卻為何能提高生產(chǎn)效率？這讓人感到困惑。這里需要區(qū)分生產(chǎn)效率和轉(zhuǎn)化率。化工生產(chǎn)中，非均相催化反應(yīng)常采用流化床的方式進(jìn)行。即在核心反應(yīng)器中填裝催化劑，反應(yīng)氣體以一定的流速流入反應(yīng)器，在催化劑的表面反應(yīng)，產(chǎn)物及未反應(yīng)的原料氣從反應(yīng)器另一端流出。這樣的生產(chǎn)方式既可能達(dá)到了平衡狀態(tài)，也可能未達(dá)到平衡狀態(tài)。一方面，生產(chǎn)效率與時(shí)間有關(guān)，達(dá)到平衡需要時(shí)間，而實(shí)際生產(chǎn)中大多數(shù)反應(yīng)未達(dá)到平衡就流出反應(yīng)器，所以實(shí)際轉(zhuǎn)化率總比平衡轉(zhuǎn)化率低。但反應(yīng)速率提高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量提高了，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率[（實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量）×100%]相應(yīng)得以提升。另一方面，催化劑可以提高反應(yīng)的選擇性，故也可以提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。

2.如何理解催化劑的選擇性？

催化劑的選擇性是指給定反應(yīng)物中某產(chǎn)物的生成量與已轉(zhuǎn)化的原料量的比。同一原料在熱力學(xué)上可以沿著幾個(gè)途徑進(jìn)行反應(yīng)，選用不同的催化劑會(huì)有利于不同產(chǎn)物的生成（表2）。

不同的催化劑之所以能促使某一反應(yīng)向特定產(chǎn)物的方向進(jìn)行，是因?yàn)檫@種催化劑在多個(gè)可能同時(shí)進(jìn)行的反應(yīng)中，使生成特定產(chǎn)物的反應(yīng)活化能降低程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他反應(yīng)活化能的變化，使反應(yīng)容易向生成特定產(chǎn)物的方向進(jìn)行[14]。選擇性實(shí)質(zhì)上是反應(yīng)系統(tǒng)中目標(biāo)反應(yīng)與副反應(yīng)間反應(yīng)速率的競(jìng)爭(zhēng)，這與反應(yīng)的特征、反應(yīng)條件、反應(yīng)活化中心的活性等因素有關(guān)。

提高催化劑的選擇性的常用方法有：（1）加入某種毒物以毒化引起副反應(yīng)的活性中心，從而提升選擇性。（2）降低反應(yīng)溫度，降溫可以使低活化能反應(yīng)的選擇性提高。升高溫度雖然對(duì)高活化能反應(yīng)的速率提升更明顯，但往往對(duì)設(shè)備提出了很高的要求，且需考慮溫度對(duì)副反應(yīng)、催化劑的活性的影響，還需要考慮能耗及局部溫度過(guò)高可能引發(fā)爆炸等問(wèn)題。（3）改變孔口的大小。對(duì)于具有規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的分子篩催化劑，可利用孔口的大小改變選擇性（稱為形狀選擇性），只容許尺寸小于孔口的反應(yīng)物進(jìn)入催化劑孔隙內(nèi)部發(fā)生催化作用。催化劑的選擇性和催化作用的專一性，使石油化工受益匪淺。例如：天然沸石孔徑大小不均勻，若用于石油的催化裂化，要將16個(gè)碳原子的長(zhǎng)鏈斷成8個(gè)碳原子的碳鏈，天然沸石可能會(huì)將碳鏈再斷得更短，導(dǎo)致產(chǎn)物分子碳鏈長(zhǎng)短不一，選擇性差。如果改用人工合成的孔徑大小一致的沸石，則目標(biāo)產(chǎn)物較多，選擇性好。

3.如何理解催化劑失活？

理論上，催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量保持不變，可以無(wú)限循環(huán)使用，一定量的催化劑可以使大量的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為大量的產(chǎn)物。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在長(zhǎng)期的高溫環(huán)境下，會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致催化劑的失活。 一般氣體在固體催化劑的表面反應(yīng)要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、吸附、活化反應(yīng)、脫附、擴(kuò)散五個(gè)步驟。“多位理論”指出固體催化劑的表面是不均勻的，位于催化劑表面微晶的棱和頂角處的原子因?yàn)榫哂胁伙柡玩I而形成了活性中心。在催化過(guò)程中，只在活性中心才有催化反應(yīng)發(fā)生。如果催化劑表面活性中心的空間結(jié)構(gòu)與反應(yīng)分子將發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)呈幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系，則被吸附的分子容易變形活化，即舊鍵較容易松弛，新鍵較容易形成[15]。催化劑的活性中心在不同催化劑中是不一樣的，它可以是一個(gè)質(zhì)子、固體表面的不飽和原子、表面原子簇、絡(luò)合物、蛋白質(zhì)上的膠囊束等[16]。

催化劑失活是指在恒定反應(yīng)條件下進(jìn)行的催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降的現(xiàn)象。催化劑的失活有三種類型：化學(xué)失活、熱失活和機(jī)械失活。化學(xué)失活是由于有毒雜質(zhì)對(duì)催化劑的毒化作用，使催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性降低的現(xiàn)象，也叫催化劑中毒。催化劑的毒物通常是一些含硫、磷、砷的化合物以及鹵素化合物、重金屬化合物等。這些毒物比較容易吸附在催化劑的活性中心上，并且不容易脫附出來(lái)[17]。防治辦法是在反應(yīng)之前除去毒物。例如：合成氨中H2S、02、CO等雜質(zhì)氣體會(huì)使催化劑中毒，必須用[Cu（NH3）2]Ac洗氣。大多數(shù)催化劑都有有效使用溫度范圍（工業(yè)上稱為溫度窗口寬），超過(guò)范圍活性就會(huì)降低甚至完全喪失。溫度對(duì)催化劑的影響是多方面的，它能使催化劑活性組分揮發(fā)、流失，負(fù)載活性組分燒結(jié)或微晶粒長(zhǎng)大，結(jié)果導(dǎo)致催化劑結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、活性中心較少[18]。機(jī)械失活指固體催化劑顆粒在抵抗摩擦、沖擊等過(guò)程中導(dǎo)致破壞。顆粒破碎會(huì)使催化劑床溝流堵塞。結(jié)焦積炭也是一種常見(jiàn)的機(jī)械失活，由于積炭覆蓋在催化劑活性中心，導(dǎo)致催化劑活性中心減少、堵塞。積炭失活后可燒炭再生，即通過(guò)將催化劑孔隙中的含碳沉積物氧化為CO和C02除去可恢復(fù)催化活性。

七、反思與總結(jié)

化學(xué)家查德·哲爾（Richard Zare）說(shuō)過(guò)：要我選一個(gè)最能概括化學(xué)的詞，莫過(guò)于“催化劑”，沒(méi)有其他東西能與之媲美。現(xiàn)代工業(yè)的巨大成就離不開(kāi)催化劑的廣泛研發(fā)和應(yīng)用，催化劑的重要性還體現(xiàn)在工藝技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新、能源綜合利用和環(huán)境保護(hù)所帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，一般認(rèn)為每1元的催化劑可以生產(chǎn)200-1000元的產(chǎn)品。因此，催化劑的研發(fā)是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的核心問(wèn)題之一。教師和學(xué)生應(yīng)該自覺(jué)掌握催化劑的相關(guān)知識(shí)，全方位認(rèn)識(shí)催化劑的特征、了解其在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

教學(xué)中把頭腦中存在的與科學(xué)概念不一致的認(rèn)識(shí)叫做“迷思概念”。催化劑無(wú)疑是典型的迷思概念。造成迷思概念的原因是多方面的：首先，概念都具有相對(duì)性，很多概念都是在歷史發(fā)展中不斷自我完善的，隨著科學(xué)家對(duì)事物本質(zhì)認(rèn)識(shí)的深入而不斷發(fā)展;其次，學(xué)生的認(rèn)知水平有局限性，不能一次性地將概念理解到位，學(xué)習(xí)處于螺旋上升的狀態(tài);再者，部分教師缺乏鉆研精神，沒(méi)有及時(shí)更新知識(shí)，在教學(xué)中只傳授靜態(tài)的、結(jié)論性的知識(shí)，無(wú)法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。因此，在中學(xué)化學(xué)概念教學(xué)過(guò)程中，既要讓學(xué)生通過(guò)觀察、體驗(yàn)等手段認(rèn)識(shí)宏觀現(xiàn)象，形成感性認(rèn)識(shí)，還要調(diào)動(dòng)學(xué)生通過(guò)分析、推理、查證等方式認(rèn)識(shí)微觀過(guò)程，達(dá)到對(duì)事物的理性認(rèn)識(shí)。課堂教學(xué)應(yīng)從教授“是什么（知識(shí)性知識(shí)）”逐漸向“為什么（邏輯性推理）”和“怎么辦（程序性應(yīng)用）”轉(zhuǎn)變，揭開(kāi)迷思概念的面紗，認(rèn)識(shí)它本來(lái)的面貌。課堂教學(xué)，應(yīng)該讓思維深刻發(fā)生，讓素養(yǎng)生根發(fā)芽。

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