1.
異相催化通常是指，氣體的反應物，受到固體催化劑表面吸附，而變得容易反應。
Donna
Karan Fall/Winter 2013 Full Show | HQ
2.
吸附adsorption是指，某一種物質集聚在另一種物質的表面；吸收absorption是指，某一種物質穿透到另一種物質裡面；例如水被海綿吸收。
3.
異相催化最早的例子是用「氮」與「氫」合成「氨」的反應。這個反應程序是1909年由德國化學家哈柏Fritz
Haber研發出來的，他測試超過1000種可能的催化劑之後，發現這個反應最好的催化劑是鐵。
（現代製造氨時使用的催化劑是鐵、鉀和鈣的混合物，其效用比單純的鐵好）
4.
當時哈柏無法解釋為什麼鐵是最好的催化劑，不過現在我們知道鐵成為最好催化劑的原因是，當「氫分子H2」與「氮分子N2」，與金屬表面的「鐵原子」結合時，「氮－氮鍵」和「氫－氫鍵」的鍵能強度會被弱化。
5.
當「氮分子」與「氫分子」吸附在「鐵」表面，「鐵」與「氮」之間形成化學鍵，並且「鐵－氮鍵」的強度大到，足以破壞「氮」與「氮」之間的化學鍵，使「氮」與「氮」之間的化學鍵弱化到，足以讓「氮」轉而與在「鐵」表面的「氫」結合成「氨」。
6.
有一個重要的異相催化例子是，不飽和的碳氫化合物的氫化反應；不飽和的碳氫化合物，是由「碳」與「氫」組成的化合物，內含「碳－碳雙鍵」。
7.
氫化反應是很重要的工業反應程序，氫化反應可以將不飽和的脂肪，變為飽和性脂肪，例如固體的人造奶油Crisco就是如此製造出來的。經由氫化反應，「C＝C鍵」的2個碳增加「氫原子」後，轉變成「C－C鍵」。
8.
以下為乙烯的氫化反應：
9.
這個反應在常溫下進行得十分慢，主要是因為「氫分子」的化學鍵很強，造成反應的活化能太強。但是如果使用固體催化劑鉑、鈀、鎳，反應速度就會大幅度加快。
10.
催化劑的功能是讓吸附在金屬表面的「氫氣分子」，能夠形成「金屬－氫」化學鍵，而弱化「H－H鍵」，因此有利於反應的進行。反應機制如下圖：
11.
基本上，異相催化包含四個步驟：
1.催化劑表面吸附反應物，並活化反應物。
2.催化劑表面吸附的反應物轉移位置。
3.吸附的各物質彼此進行反應。
4.反應生成的產物離開催化劑。
12.
異相催化也發生在，氣體「二氧化硫sulfur
dioxide」氧化成「三氧化硫sulfur
trioxide」的反應。這個反應程序很重要，因為它顯示出化學催化有其正面與負面的效果。
13.
催化反應負面的效果是，「二氧化硫」氧化成「三氧化硫」，產生有傷害性的污染物。「二氧化硫」是有毒的氣體，味道刺鼻，含硫的燃料，燃燒時會產生「二氧化硫」。不過，會造成環境污染的是三氧化硫，三氧化硫經由酸雨污染環境。
14.
當「三氧化硫」與水滴結合，會產生「硫酸」：
H2O(l)＋SO3(g)→H2SO4(aq)
硫酸會傷害蔬菜、建築、雕像和魚群。
15.
在乾淨、乾燥的空氣中，「二氧化硫」不會立刻氧化成「三氧化硫」，那為什麼會有二氧化硫導致污染的問題？答案是有某些物質催化了反應，空氣中的灰塵粒子和水滴催化SO2和O2的反應。
16.
「催化」正面的用途是，工業生產的硫酸，可用異相催化，使SO2氧化。工廠用鉑和釩氧化物的固體混合物，催化O2和SO2反應，生成SO3。
17.
汽車排放廢氣系統，也應用異相催化的方式轉換廢氣。汽車排放的廢氣，包含一氧化氮、一氧化碳與未燃燒的碳氫化合物，它們通過一個含有固體催化劑的轉換器（觸媒轉換器）。
18.
轉換器上的催化劑（觸媒），將「一氧化碳」轉換成「二氧化碳」，碳氫化合物轉換成「二氧化碳」和「水」，「一氧化氮」轉換成「氮氣」，以舒緩廢氣對環境的影響。
19.
然而，帶來裨益的催化劑，也帶來不想要的反應，催化劑使廢氣中的SO2轉換成SO3，SO3再與潮濕的空氣反應產生硫酸。
20.
因為觸媒轉換器中的反應十分複雜，所以需要使用混合的催化劑，最有效的催化劑，是過渡金屬氧化物鈀palladium或鉑platinum之類的貴金屬。
21.
觸媒轉換器是含有鉑和銠顆粒的蜂窩陶瓷，蜂窩陶瓷能將金屬顆粒和廢氣接觸的表面積拓展到最大。研究顯示，銠能將吸附在蜂窩陶瓷表面的NO分子催化分解，因此催化了NO轉換成N2的反應；NO是嚴重的污染物，N2是乾淨空氣的天然成分。
22.
汽車都需要使觸媒轉換器導致一個結果，必須移除汽油中的鉛。近50年來，四乙基鉛，在提高汽油辛烷值、預防汽油燃燒震爆方面，是十分有效的添加物。
23.
然而，鉛會破壞觸媒轉換器的催化效率，此外，鉛對人體健康也是有害的，因此汽油中的鉛必須移除；由於汽油中的鉛被移除，我們必須找其他抗震爆的添加物，並且重新設計引擎，新設計的引擎必須能妥善燃燒低辛烷值的汽油。
24.
另一個應用固體催化的地方是，石油的脫硫反應 desulfurization of petroleum。天然石油含有各種分子，裡面包含硫原子；這種石油燃燒會產生SO2，我們必須從廢氣中移除SO2才能避免空氣污染。
25.
有一種避免空氣被SO2污染的方法是，在石油當成燃料使用之前，先移除硫的成分，也就是對石油進行脫硫。石油裡有一種含硫的分子稱為「硫醇thiols」，「硫醇」的分子式是「R－SH」，R代表含有長條碳鍊的分子碎片。
26.
脫硫就是從「硫醇」分子身上移除「硫」，產生碳氫分子：
R－SH→R－H＋S
27.
化學家發現，鉬、鈷和硫的混合物，可催化硫醇脫硫的反應程序。因為鉬、鈷和硫混合物這個催化劑，参雜各種物質，因此我們不確定它脫硫的詳細運作方式。
28.
不過我們推測脫硫過程應是，硫醇附著在在催化劑表面後，啟動脫硫反應。在這個反應程序中，S－H鍵先斷裂，然後R－S分子碎片及H原子附著在催化劑表面的金屬原子上，接著，催化劑表面的H轉移到R碎片，形成R－H分子，然後，R－H分子離開，遺留下S。
沒有留言:
張貼留言