同相催化 Homogeneous Catalysis

化學原理啟迪400

1.     同相催化是指「催化劑分子的相」與「反應物分子的相」是一樣的。

Bottega Veneta Fall 2013

2.     氣相或液相都有許多同相催化的例子。其中一個例子是，「一氧化氮NO」對「臭氧O3」的不尋常催化能力。

3.     在最接近地面的對流層，「一氧化氮」催化「產生臭氧」，然而，在高層大氣，「一氧化氮」催化「臭氧分解」反應；這二種催化反應都會為環境帶來災害。

4.     在較低的大氣層，只要空氣中有N2，高溫燃燒就會產生NO，這個反應：

N2(g)＋O2(g)→2NO(g)

5.     在常溫下上述反應進行的速度很慢，因為「N≡N鍵」與「O＝O鍵」的鍵能很強，然而，當溫度提高，就會啟動「氮氣」與「氧氣」燃燒反應，產生相當份量的「一氧化氮NO」，汽車引擎內的燃燒就是如此。

6.     在汽車引擎內燃燒產生的「一氧化氮NO」，有一部份在通過觸媒轉換器時，被轉換成「氮氣N2」，但是仍然有相當份量的「一氧化氮NO」逸散到大氣中與「氧O2」反應：

2NO(g)＋O2(g)→2NO2(g)

7.     在大氣中，NO2吸收光能後分解如下：

NO2(g)－light→NO(g)＋O(g)

8.     這個反應程序產生的「氧O」，非常容易起反應，它會與「氧氣分子O2」結合成「臭氧O3」：

O2(g)＋O(g)→O3(g)

9.     臭氧是強效氧化劑，臭氧與其他空氣污染物反應，會產生對眼睛和肺有刺激性的物質。

10. 在這系列反應中，一氧化氮NO扮演真正的催化劑的角色，因為一氧化氮NO促使反應產生臭氧，自己卻沒有被消耗：

11. 在高層大氣，一氧化氮的作用正好相反，一氧化氮會分解臭氧：

12. 一氧化氮在高層大氣同樣是扮演催化劑的角色，但是這次它將臭氧O3轉變成O2。這個反應潛藏問題，因為臭氧O3會吸收紫外線，所以臭氧O3能保護我們免於高能輻射的傷害。

13. 我們希望高層大氣有臭氧O3可以擋住太陽的紫外線輻射，然而卻不希望我們呼吸的低層大氣有臭氧O3與它氧化的產物。

14. 近十年的研究顯示，高層大氣的臭氧曾飽受氟利昂的威脅，氟利昂Freons是穩定、無腐蝕性的化合物，過去一段時間，氟利昂Freons用於製作冷媒和噴霧劑罐的推進物，常用的氟利昂物質有Fereon-12、CCl2F2。

15. 氟利昂的鈍性很好用，但也產生了一些問題，因為氟利昂在環境中能存活很久，最後氟利昂會轉移到大氣高層，被高能量的光分解；氟利昂分解的產物中，包含氯原子：

16. 氯原子能催化臭氧的分解：

17. 因為南極上空平流層出現出臭氧破洞，社會開始關注氟利昂的問題。研究發現，造成臭氧破動的原因是，南極大氣層裡有許多一氧化氯ClO，這強烈顯示，大氣中的氟利昂至少應對南極臭氧被破壞負起部分的責任。

18. 因為氟利昂造成環境問題，美國政府數年前禁止噴霧劑罐中使用氟利昂，空調系統與冰箱冷媒也禁止使用氟利昂。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》