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催化燃烧设备催化作用的化学本质

返回列表 来源：发布日期：2021-07-20 10:54

　催化燃烧设备工作过程中，催化作用是很重要的，决定了废气治理的效率。催化作用的化学本质是什么呢？下面跟恒峰蓝小编一起来了解一下~

众所周知，化学反应的发生，主要是化学键的断裂和形成的过程。要实现这个过程，反应物分子就需要获得一定的能量而首先促使反应物分子的键断裂，然后才能是生成新的化合物。对于在热力学范畴内能够进行的不少反应，使反应物分子中的键断裂所需要的能量很大，在正常条件下很难实现。如H2和O2生成水的反应，据计算常温常压下将H2和O2放在一个容器中，106亿年才能生成15%的水。但如果在体系中加入铂黑作催化剂，则反应可在瞬间完成。在这里，催化剂的作用是大大降低了这个反应的活化能。
下面再以合成氨为例，进一步阐明催化作用的化学本质。反应方程为：
N≡N +3-H→N-3H
要断裂1个N≡N三重键和3个H-H键而形成6个N-H键，它们的键能变化为：
6 x 385. 4-941- 3 x 430. 5=80(kJ/mol)
实测反应热为92kJ/mol，与计算值相近。其△G⁰₂₉₈= - 33. 4kJ/mol。可见，此反应在常温常压下是一个自发反应。但是，若把N2和H2按化学式计量比混合放置几年，也不会有任何反应发生。
为什么会出现这种情况呢？下面用分子轨道理论来进行一下简要分析，当两个分子要通过电子云重新排布形成新键时，最省力的方式可能有两个：①每个分子的前沿轨道只填有一个电子，当这两个前沿轨道互相重叠时，电子就可配对而形成新的化学键，这就意味着，N2和H2需将基态分子前沿轨道中的一个电子，由成键轨道激发到反键轨道上去，实际上就是要断开一个H--H键和N≡N三重键，这需要非常大的能量，即使只断开一个H-H键，也得需要430. 5kJ/mol的能量。可见，要想以形成新键放出的能量，(80kJ/mol)来补偿断键所需要的能量是不可能的，②另一种省力的方式是一个分子前沿轨道填满，而使另一个分子的前沿轨道成为空轨道而相互重叠形成新键。但是，由于轨道的非对称性，这一途径也不可能实现。实验也证实，从分子氮和分子氢变为原子氮和原子氢的能量要求是相当高的。
加入催化剂后，首先是通过合适的前沿轨道使催化剂与反应分子形成络合分子，充分削弱N≡N三重键和H-H键。例如把H-H拆成两个络合着的H，然后又能较容易地使这些络合着的已经活化了的反应基团比较容易地形成新键。也就是说，催化剂参与了反应，与反应物作用生成了不稳定的中间络合物，最终形成产物。其中每一步所需要的能量都比原来无催化剂参与时所需要的活化能要小得多，从而加快了反应速率。实际上，由于催化剂的参，已经改变了原来的反应途径。
上述反应结果可以推广到任何一个催化反应。
设下列化学反应：A+B→AB
当有催化剂 K。参与时，至少有一个中间反应发生：，而催化剂是中间反应物之一，，表示为：
A+K→AK
可见中间反应生成了中间络合物AK。AK再与B反应，最终仍得到反应产物 AB，催化剂K则恢复到初始的化学状态。
AK+B→AB+K
显然，催化剂诱发了原反应所没有的中间反应，使化学反应沿着新途径进行，反应中生成了中间活性络合物AK，降低了反应的活化能，从而大大加快了化学反应速率。