重现化学

美丽科学与中国化学会合作项目重现化学 | 《催化》

发布时间:2019年11月14日 来源:中国化学会

 

△ 《重现化学 | 催化》

 

影片中展示了五种催化过程,分别是氧化铬催化氨气氧化,铜催化丙酮氧化,软锰矿催化双氧水分解,以及糖水和面团的发酵过程。


图片欣赏

 

△ 氧化铬催化氨气氧化

 

△ 铜催化丙酮氧化

 

△ 软锰矿催化双氧水分解

 

△ 糖水发酵

 

△ 面团发酵

 

 

关于催化

 

一些化学反应在催化剂的作用下,反应速率发生改变,而催化剂本身在反应过程中不被消耗。例如,双氧水在常温常压下可以发生分解,但反应速率很慢,几乎无法察觉。但在二氧化锰催化剂的作用下,过氧化氢可以快速分解,产生大量氧气气泡,而二氧化锰本身并没有被消耗。很多催化剂类似二氧化锰,可以提高反应速率,是正催化剂;但也有一些催化剂是负催化剂,也叫抑制剂,可以减缓反应速率。

回顾历史,人类对催化的应用最早可追溯到几千年前的酿酒工艺。酿酒过程是对生物催化的应用,其催化剂是细胞内的各种酶。生命体内发生的化学反应大部分都是催化反应:在酶的协助下,这些反应可以在相对温和的条件下进行,把食物转化为能量和构建身体的营养物质。

1817年英国化学家戴维发现,煤气和空气会在高温的铂丝表面反应,虽然不产生火焰,但这个反应发出的热量可以维持铂丝的红热状态。随后,德国化学家德贝赖纳发现在常温常压下,氢气和氧气可以在海绵铂表面反应,并放出大量的热。利用这一原理,德贝赖纳在1823年发明了在当时广为流传的点火装置。1835年,瑞典化学家贝采利乌斯系统地分析了同时代众多实验发现与科学讨论,第一次提出了“催化”(catalysis)这一学术概念。

对于现代社会,催化的意义不容小视:有大约80%的化工过程都需要使用催化剂;也正是因为催化,我们才能够生产足够的化肥、燃料、化工原料以及生活材料(如塑料),支撑现代社会的发展。与此同时,我们也需要在催化研究领域取得新的突破,以解决在食品、能源、环境、气候等方面人类面临的危机。比如,全球每年的塑料产量已经超过1.5亿吨。但在塑料给我们带来诸多方便的同时,我们无法忽略一个令人震惊的事实:绝大多数塑料在使用后都无法回收,大部分塑料的最终命运是被掩埋,很多也会进入海洋,对陆地和海洋都会造成污染。对此,科学家正在研究可以把塑料(高分子材料)转换为单体(构建高分子的小分子原料)的催化剂,希望实现塑料的高效化学回收,减少塑料造成的环境污染。

 


深入探索

催化剂究竟如何加速化学反应?这个问题比较复杂,我们举两个例子做简单的说明:

一些催化剂会直接参与化学反应,转化为中间产物,中间产物继续参与反应,被转化为原始催化剂,这个过程会循环进行。比如铜催化丙酮的反应,铜和氧气首先生成黑色的氧化铜,随后氧化铜被丙酮还原,又转化为铜,这个循环过程可以在影片和下面动图中看到。其中铜表面彩色是因为氧化铜薄膜的厚度导致光的干涉,与下雨天地面油膜的颜色是相同的原理。

 

△ 铜丝催化丙酮氧化过程中的颜色变化

 

另外反应物可以吸附在催化剂表面,一些反应物甚至可以解离成更活泼的原子状态,使化学反应更容易进行。例如常温下,氢气和氧气不发生化学反应。但当氢气和氧气分子吸附在金属铂表面时,会被解离成氢原子和氧原子。氧原子先与一个氢结合形成过渡态羟基,随后再结合一个氢,从而形成水。

 

 

△金属铂催化氢气和氧气反应原理。上图中黑色小球代表铂原子,红色和白色小球分别代表氧原子和氢原子。动图来自美丽科学《德贝赖纳点火器》动画,即将发表。

 


影片幕后

《催化》的制作周期很长,有近两年时间。2017年底我们与瑞典诺贝尔博物馆合作,为他们在迪拜的一个名为《连接元素 Connect Elements》化学展览提供化学反应视频,影片中氧化铬催化氨气氧化和发酵过程就是在这期间拍摄的。

项目结束后,我们一直希望能做一个关于催化的完整影片。但因为其他拍摄任务,直到今年11月这个愿望终于实现。 《催化》也是重现化学系列的第21个影片。 

  

 

 

摄影/文字:梁琰

分子动画:石千慧

 

 

 

 

重现化学是美丽科学和中国化学会的合作项目,也是2019年度科普中国孵化支持项目。

 

 

 

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