重現(xiàn)化學(xué)

美麗科學(xué)與中國(guó)化學(xué)會(huì)合作項(xiàng)目重現(xiàn)化學(xué) | 《催化》
發(fā)布時(shí)間：2019年11月14日來(lái)源：中國(guó)化學(xué)會(huì)

△ 《重現(xiàn)化學(xué) | 催化》

影片中展示了五種催化過(guò)程，分別是氧化鉻催化氨氣氧化，銅催化丙酮氧化，軟錳礦催化雙氧水分解，以及糖水和面團(tuán)的發(fā)酵過(guò)程。

圖片欣賞

△ 氧化鉻催化氨氣氧化

△ 銅催化丙酮氧化

△ 軟錳礦催化雙氧水分解

△ 糖水發(fā)酵

△ 面團(tuán)發(fā)酵

關(guān)于催化

一些化學(xué)反應(yīng)在催化劑的作用下，反應(yīng)速率發(fā)生改變，而催化劑本身在反應(yīng)過(guò)程中不被消耗。例如，雙氧水在常溫常壓下可以發(fā)生分解，但反應(yīng)速率很慢，幾乎無(wú)法察覺(jué)。但在二氧化錳催化劑的作用下，過(guò)氧化氫可以快速分解，產(chǎn)生大量氧氣氣泡，而二氧化錳本身并沒(méi)有被消耗。很多催化劑類似二氧化錳，可以提高反應(yīng)速率，是正催化劑；但也有一些催化劑是負(fù)催化劑，也叫抑制劑，可以減緩反應(yīng)速率。

回顧歷史，人類對(duì)催化的應(yīng)用最早可追溯到幾千年前的釀酒工藝。釀酒過(guò)程是對(duì)生物催化的應(yīng)用，其催化劑是細(xì)胞內(nèi)的各種酶。生命體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)大部分都是催化反應(yīng)：在酶的協(xié)助下，這些反應(yīng)可以在相對(duì)溫和的條件下進(jìn)行，把食物轉(zhuǎn)化為能量和構(gòu)建身體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

1817年英國(guó)化學(xué)家戴維發(fā)現(xiàn)，煤氣和空氣會(huì)在高溫的鉑絲表面反應(yīng)，雖然不產(chǎn)生火焰，但這個(gè)反應(yīng)發(fā)出的熱量可以維持鉑絲的紅熱狀態(tài)。隨后，德國(guó)化學(xué)家德貝賴納發(fā)現(xiàn)在常溫常壓下，氫氣和氧氣可以在海綿鉑表面反應(yīng)，并放出大量的熱。利用這一原理，德貝賴納在1823年發(fā)明了在當(dāng)時(shí)廣為流傳的點(diǎn)火裝置。1835年，瑞典化學(xué)家貝采利烏斯系統(tǒng)地分析了同時(shí)代眾多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與科學(xué)討論，第一次提出了“催化”（catalysis）這一學(xué)術(shù)概念。

對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)，催化的意義不容小視：有大約80%的化工過(guò)程都需要使用催化劑；也正是因?yàn)榇呋?，我們才能夠生產(chǎn)足夠的化肥、燃料、化工原料以及生活材料（如塑料），支撐現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展。與此同時(shí)，我們也需要在催化研究領(lǐng)域取得新的突破，以解決在食品、能源、環(huán)境、氣候等方面人類面臨的危機(jī)。比如，全球每年的塑料產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1.5億噸。但在塑料給我們帶來(lái)諸多方便的同時(shí)，我們無(wú)法忽略一個(gè)令人震驚的事實(shí)：絕大多數(shù)塑料在使用后都無(wú)法回收，大部分塑料的最終命運(yùn)是被掩埋，很多也會(huì)進(jìn)入海洋，對(duì)陸地和海洋都會(huì)造成污染。對(duì)此，科學(xué)家正在研究可以把塑料（高分子材料）轉(zhuǎn)換為單體（構(gòu)建高分子的小分子原料）的催化劑，希望實(shí)現(xiàn)塑料的高效化學(xué)回收，減少塑料造成的環(huán)境污染。

深入探索

催化劑究竟如何加速化學(xué)反應(yīng)？這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜，我們舉兩個(gè)例子做簡(jiǎn)單的說(shuō)明：

一些催化劑會(huì)直接參與化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物繼續(xù)參與反應(yīng)，被轉(zhuǎn)化為原始催化劑，這個(gè)過(guò)程會(huì)循環(huán)進(jìn)行。比如銅催化丙酮的反應(yīng)，銅和氧氣首先生成黑色的氧化銅，隨后氧化銅被丙酮還原，又轉(zhuǎn)化為銅，這個(gè)循環(huán)過(guò)程可以在影片和下面動(dòng)圖中看到。其中銅表面彩色是因?yàn)檠趸~薄膜的厚度導(dǎo)致光的干涉，與下雨天地面油膜的顏色是相同的原理。

△ 銅絲催化丙酮氧化過(guò)程中的顏色變化

另外反應(yīng)物可以吸附在催化劑表面，一些反應(yīng)物甚至可以解離成更活潑的原子狀態(tài)，使化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行。例如常溫下，氫氣和氧氣不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)氫氣和氧氣分子吸附在金屬鉑表面時(shí)，會(huì)被解離成氫原子和氧原子。氧原子先與一個(gè)氫結(jié)合形成過(guò)渡態(tài)羥基，隨后再結(jié)合一個(gè)氫，從而形成水。

△金屬鉑催化氫氣和氧氣反應(yīng)原理。上圖中黑色小球代表鉑原子，紅色和白色小球分別代表氧原子和氫原子。動(dòng)圖來(lái)自美麗科學(xué)《德貝賴納點(diǎn)火器》動(dòng)畫，即將發(fā)表。

影片幕后

《催化》的制作周期很長(zhǎng)，有近兩年時(shí)間。2017年底我們與瑞典諾貝爾博物館合作，為他們?cè)诘习莸囊粋€(gè)名為《連接元素 Connect Elements》化學(xué)展覽提供化學(xué)反應(yīng)視頻，影片中氧化鉻催化氨氣氧化和發(fā)酵過(guò)程就是在這期間拍攝的。

項(xiàng)目結(jié)束后，我們一直希望能做一個(gè)關(guān)于催化的完整影片。但因?yàn)槠渌臄z任務(wù)，直到今年11月這個(gè)愿望終于實(shí)現(xiàn)。《催化》也是重現(xiàn)化學(xué)系列的第21個(gè)影片。

攝影/文字：梁琰

分子動(dòng)畫：石千慧

重現(xiàn)化學(xué)是美麗科學(xué)和中國(guó)化學(xué)會(huì)的合作項(xiàng)目，也是2019年度科普中國(guó)孵化支持項(xiàng)目。

往期精彩回顧

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