催化剂是怎么进行催化作用的?

题目

催化剂是怎么进行催化作用的?

答案

这是一个十分复杂的问题.几十年来,有关催化剂的资料积累了许多,也提出过不少的催化理论,但至今还缺乏适用范围广泛的理论来阐明催化剂的作用原理,并指导人们更好地选择催化剂.这是由于催化反应,特别是多相催化反应,是一个十分复杂的问题.它不仅涉及一般的化学反应机理,而且还涉及到固体物理学、结构化学和表面化学等学科,而这些都是人们至今还在探索的科学领域.另一方面,催化理论的研究,还必须借助于先进的实验手段,但目前研究催化剂反应机理的实验工具还不够完善,至今人们还无法洞察催化反应在进行过程中催化剂表面的结构变化,以及反应物在具体催化过程中的转化情况.目前催化理论落后于催化剂在工业生产中所获得的巨大成就,所以必须加强催化学科基础理论的研究.
催化剂与反应物同处于均匀的气相或液相中的催化称为单相催化（又叫均相催化）.单相催化一般认为是反应物与催化剂先生成一定的中间产物,然后催化剂又从这些中间产物中产生出来.反应物与催化剂形成中间产物,再由中间产物变为产物的总的活化能,要比反应物之间直接反应成为生成物的活化能小得多.
催化剂自成一相（固相）,在催化剂表面进行的催化作用叫做多相催化.对于多相催化反应,目前有三种理论：即活性中心理论、活化络合物理论和多位理论.
（1）活性中心理论
活性中心理论认为,催化作用发生在催化剂表面上的某些活性中心.由于这些活性中心对反应物分子产生化学吸附,使反应物分子变形,化学键松弛,呈现活化状态,从而发生催化作用.在固体表面,活性中心存在于棱角、突起或缺陷部位.因为这些部位的价键具有较大的不饱和性,所以具有较大的吸附能力.通常活性中心只占整个催化剂表面的很小部分.例如,合成氨的铁催化剂的活性中心只占总表面积的0.1％.活性中心理论可以解释：为什么微量的毒物就能使催化剂丧失活性（毒物破坏或占据活性中心）,为什么催化剂的活性与制备条件有关（制备条件能影响晶体结构,即影响活性中心的形成）.
（2）活化络合物理论
（3）多位理论
活性中心理论和活化络合物理论都没有注意到催化剂表面活性中心的结构,因而不能充分解释催化剂的选择性.多位理论认为,表面活性中心的分布不是杂乱无章的,而是具有一定的几何规整性.只有活性中心的结构与反应物分子的结构成几何对应时,才能形成多位的活化络合物,从而发生催化作用.这时催化剂的活性中心不仅使反应分子的某些键变得松弛,而且还由于几何位置的有利条件使新键得以形成.
上述的三种多相催化理论都能解释一些现象,但还有许多事实不能说明.在这三种理论中,有两点是共同的：第一,认为催化剂表面有活性中心存在,催化剂表面结构不是均匀的,催化能力不是各处一样.第二,认为反应物分子与活性中心之间相互作用的结果使化学键发生改组,从而生成产物.至于活性中心的本质和活化络合物的本质,是今后需进一步研究的重要课题.