改善化工反应的关键：催化剂的力量

催化剂是化学世界的时间机器，它让整个化工过程满足高效、安全、环保、经济等方面的要求，没有它，我们可能连肚子都填不饱呢！

相传，在瑞典化学家贝采里乌斯56岁生日那天，妻子玛利亚邀请朋友准备一同庆祝，可是贝采里乌斯沉浸在实验中，完全忘记了过生日这件事，直到妻子去实验室叫他，他这才匆忙回家，来不及洗手就与朋友们举起了酒杯。贝采里乌斯一饮而尽的时候，觉得酒味发酸，很不正常，他质问妻子为什么用变质的酒招待朋友。妻子满心疑惑地接过酒杯，尝了一口便吐了出来，果然，丈夫杯中的酒是酸的。

原来，贝采里乌斯的手上沾有做实验时用到的铂金粉末，粉末掉进了酒中，促进了乙醇（酒精）在空气中的氧化反应，生成了更多的乙醛和乙酸，故而酒变酸了。贝采里乌斯对这种现象很是惊讶和好奇。经过反复实验求证，1836年，贝采里乌斯首次提出了“催化”与“催化剂”的概念，让催化现象正式进入了化学的研究范畴。

到底什么是催化剂？催化剂就是可以改变反应速度，但是不改变反应化学平衡的物质。用通俗的语言来说，就是物质A和物质B原本需要反应一天一夜才可以生成物质C，但是当我们加入了神奇的物质X后，物质A和B反应还是生成相同量的物质C，但是只需要一小时就可以完成，并且物质X在反应前后的形态、质量都没有发生变化，下次还可以接着再用，这个神奇的物质X就是催化剂。

为什么催化剂可以加速反应？那是因为催化剂改变了反应的活化能。

活化能可以简单理解为一个反应发生所需要的能量。我们打个比方，这里有一座山，各种物质要先翻过山顶到达山的另一边才能发生化学反应，活化能就好比是这座山的高度。活化能低的反应就是一个小土坡，反应物分子走两步就可以迈过去，反应便可以快速进行；而活化能高的反应就是高耸入云的崇山峻岭，反应物们得爬几天几夜才能到顶，反应过程就进行得非常慢。而催化剂就是在山里挖出的一条隧道，反应物可以直接穿过隧道，从而大大地加速反应的进程。反应结束后，隧道还是保持原样没有发生变化，但是给反应过程提供了巨大的便利。

催化剂让人类不再忍饥挨饿。世界人口数量之所以能够实现爆炸式的增长，归根结底就是因为人类能够生产足够养活人的粮食。粮食的大规模工业化生产离不开化肥的支持，而化肥中最重要的一类就是氮肥。

遗憾的是，虽然自然界中氮元素的含量极为丰富，但绝大多数却以氮气的形式存在于空气中。氮气分子（N₂）是由两个氮原子通过三个化学键连接而成的稳定分子，故而分子活性很弱，绝大多数生命体是无法直接利用的，人类必须想办法打断氮气分子中的化学键，才能将空气中的惰性氮气转化为化合态的氮肥，这就是“将空气变成面包”的关键。

人们发现，闪电的巨大能量可以将氮气分子打开并形成化合态的氮，所以人们也模仿打闪过程，利用电弧来制造氮肥，但是这种方式对电能消耗很大，导致氮肥成本很高。到了20世纪初，德国化学家弗里茨·哈伯尝试通过氢气和氮气反应来生成氨气（NH₃），从而实现氮元素的转化，但是这个反应依然由于氮气的惰性而反应速度极其缓慢。到了1909年，哈伯采用高温（200℃）、高压（200个大气压）并且使用76号元素金属锇（Os）作为催化剂的条件来合成氨气，大大提升了反应速度。但哈伯并不满足于现有的成就，紧接着，他与同事一起对数千种催化剂进行筛选，最终得到了以铁元素为基础的高效催化剂，这不但降低了催化剂成本，还进一步提升了合成氨的效率。基于哈伯的技术，德国在1911年建成了世界上第一座日产30吨的合成氨工厂，给未来全球人口的爆发式增长创造了条件。由于在合成氨方面的突出贡献，弗里茨·哈伯获得了1918年诺贝尔化学奖。

近年来，人们依然在不断地尝试提升合成氨催化剂的活性，以44号钌元素（Ru）为基础的钌基催化剂得到了人们的不断关注，我们也期待钌基催化剂能够给人类的合成氨事业带来更大的惊喜。(www.xing528.com)

催化剂之所以具有催化活性，本质上是因为催化剂实实在在地参与了化学反应。催化剂可以与反应物通过电子的相互作用而结合形成中间体，等反应结束后，催化剂又与产物脱离使催化剂再生，故而看上去催化剂并没有发生什么变化。

要想与反应物发生相互作用，催化剂原子就需要具有足够多可发生相互作用的电子与电子轨道。前面我们讲过，副族金属元素的价电子是由位于不同电子层的电子组成，并且由于能级交错的原因，核外普遍存在空电子轨道，较为丰富的价电子与空轨道便提供了催化剂与反应物相互作用的可能。故而，位于元素周期表中部的副族金属元素便成为催化剂的“主产区”，并且副族金属元素普遍具有催化活性，例如镍（Ni）、铁（Fe）、钒（V）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）、铼（Re）、铂族元素（铂Pt、铑Rh、钌Ru、钯Pd、锇Os、铱Ir）等。

铂族金属给我们的第一印象似乎就是“贵重”，没错，铂族金属中最不“值钱”的金属铂也要比黄金稀有30倍。铂族金属不光是可以用作打造首饰，其催化活性也要比其他副族金属元素高出很多，制造高效催化剂便成为铂族元素的“高光时刻”。

汽车尾气一直是大气污染的主要源头之一，尾气中主要含有一氧化碳(CO)、碳氢化合物和氮氧化物(NOx)。针对这种情况，人们在汽车尾气系统安装了一种可以同时将三种有害物质转化为无害物质的催化装置——“三元催化器”。三元催化器由蜂窝状载体和表面涂覆的金属催化剂组成，催化剂选用铂、铑、钯等铂族金属元素，同时添加稀土金属镧(La)、铈(Ce)等元素的氧化物。当高温汽车尾气通过三元催化器时，催化器可以在很短的时间内催化一氧化碳与氮氧化物反应，使其转化成氮气和二氧化碳，剩余的一氧化碳和碳氢化合物则被尾气中的氧气氧化为水和二氧化碳，最大限度地减少了大气污染。

在实际的化工生产中，不单单发生我们希望进行的反应，还会有很多副反应同时进行。这个时候，如果我们选用催化剂来加速这个生产过程，主反应和副反应可能都会同时加速，从而造成大量的产物无法利用。这个时候，我们就要思考，有没有可能通过催化剂的特殊设计，让主反应加速进行，而副反应变化不大，甚至是抑制副反应呢？

答案是肯定的，解决的方法就是进行催化剂的空间结构设计，让催化剂不再是我们刻板印象中的粉末状态，或是负载于载体物质的表面，而是直接将催化物质制造成具有复杂内部结构的物体，从而提升对反应过程的选择性。

我们知道，石油是现代工业社会最重要的化工原料，但是石油是一种混合物，里面包含了分子量不同的烷烃类物质，其中分子量较大的很难燃烧，使得我们无法将其当作能源利用。这些分子量较大的烷烃就需要通过催化裂化过程使它们的分子变小，成为汽油、柴油等可利用的能源物质，或者成为乙烯、丙烯、丁二烯等重要的化工原料。但是催化裂化的过程还会伴有副反应发生，生成分子量更大的焦油类物质。所以，为了让更大比例的石油生成可利用的能源物质，而不是变为焦油，我们就要使用一种具有特殊微纳孔洞结构的催化剂——分子筛催化剂。

分子筛催化剂是硅铝酸盐制成的具有规整均匀孔道的晶体，它就好比一个肚子很大，但是开口很小的笼子，反应物要进入到笼子里面才能进行催化裂化反应，主反应产物体积比较小，就可以从笼子的口里出来，变成能源物质，而副反应产物的体积很大，比笼子口还要大，则无法出来，从而抑制副反应的进行。所以利用分子筛催化剂就可以极大地提高催化裂化反应中主、副产物的比例。进一步通过对分子筛孔径和内部孔道形状进行设计，可以将分子筛的催化作用进一步延伸，不但可以用于催化裂化，还可以用于催化加氢、催化重整、择形异构化等不同类型的化工过程，大大拓展分子筛催化剂在化工领域的应用范围。

任何化学反应都会有两种不同的制约因素，一个是热力学因素，一个是动力学因素。热力学因素决定了这个反应能否发生，而动力学因素则决定了这个反应如何发生。催化剂改变了反应的速度，本质上就是改变了反应的动力学因素。通过对催化剂的调节，可以改变反应进行的路径，从而加快或延缓反应的速率，增加或减少副产物的形成，提升或降低为了维持反应条件而需要付出的成本，最终使整个反应被优化在最适合的条件下，让化工过程满足高效、安全、环保、经济等各种要求。所以，小小的催化剂最终决定了大化工的水平与能力。