重現化學

美麗科學與中國化學會合作項目重現化學 | 《催化》

發布時間:2019年11月14日 來源:中國化學會

 

△ 《重現化學 | 催化》

 

影片中展示了五種催化過程,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,以及糖水和面團的發酵過程。


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

 

△ 糖水發酵

 

△ 面團發酵

 

 

關于催化

 

一些化學反應在催化劑的作用下,反應速率發生改變,而催化劑本身在反應過程中不被消耗。例如,雙氧水在常溫常壓下可以發生分解,但反應速率很慢,幾乎無法察覺。但在二氧化錳催化劑的作用下,過氧化氫可以快速分解,產生大量氧氣氣泡,而二氧化錳本身并沒有被消耗。很多催化劑類似二氧化錳,可以提高反應速率,是正催化劑;但也有一些催化劑是負催化劑,也叫抑制劑,可以減緩反應速率。

回顧歷史,人類對催化的應用最早可追溯到幾千年前的釀酒工藝。釀酒過程是對生物催化的應用,其催化劑是細胞內的各種酶。生命體內發生的化學反應大部分都是催化反應:在酶的協助下,這些反應可以在相對溫和的條件下進行,把食物轉化為能量和構建身體的營養物質。

1817年英國化學家戴維發現,煤氣和空氣會在高溫的鉑絲表面反應,雖然不產生火焰,但這個反應發出的熱量可以維持鉑絲的紅熱狀態。隨后,德國化學家德貝賴納發現在常溫常壓下,氫氣和氧氣可以在海綿鉑表面反應,并放出大量的熱。利用這一原理,德貝賴納在1823年發明了在當時廣為流傳的點火裝置。1835年,瑞典化學家貝采利烏斯系統地分析了同時代眾多實驗發現與科學討論,第一次提出了“催化”(catalysis)這一學術概念。

對于現代社會,催化的意義不容小視:有大約80%的化工過程都需要使用催化劑;也正是因為催化,我們才能夠生產足夠的化肥、燃料、化工原料以及生活材料(如塑料),支撐現代社會的發展。與此同時,我們也需要在催化研究領域取得新的突破,以解決在食品、能源、環境、氣候等方面人類面臨的危機。比如,全球每年的塑料產量已經超過1.5億噸。但在塑料給我們帶來諸多方便的同時,我們無法忽略一個令人震驚的事實:絕大多數塑料在使用后都無法回收,大部分塑料的最終命運是被掩埋,很多也會進入海洋,對陸地和海洋都會造成污染。對此,科學家正在研究可以把塑料(高分子材料)轉換為單體(構建高分子的小分子原料)的催化劑,希望實現塑料的高效化學回收,減少塑料造成的環境污染。

 


深入探索

催化劑究竟如何加速化學反應?這個問題比較復雜,我們舉兩個例子做簡單的說明:

一些催化劑會直接參與化學反應,轉化為中間產物,中間產物繼續參與反應,被轉化為原始催化劑,這個過程會循環進行。比如銅催化丙酮的反應,銅和氧氣首先生成黑色的氧化銅,隨后氧化銅被丙酮還原,又轉化為銅,這個循環過程可以在影片和下面動圖中看到。其中銅表面彩色是因為氧化銅薄膜的厚度導致光的干涉,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程中的顏色變化

 

另外反應物可以吸附在催化劑表面,一些反應物甚至可以解離成更活潑的原子狀態,使化學反應更容易進行。例如常溫下,氫氣和氧氣不發生化學反應。但當氫氣和氧氣分子吸附在金屬鉑表面時,會被解離成氫原子和氧原子。氧原子先與一個氫結合形成過渡態羥基,隨后再結合一個氫,從而形成水。

 

 

△金屬鉑催化氫氣和氧氣反應原理。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。動圖來自美麗科學《德貝賴納點火器》動畫,即將發表。

 


影片幕后

《催化》的制作周期很長,有近兩年時間。2017年底我們與瑞典諾貝爾博物館合作,為他們在迪拜的一個名為《連接元素 Connect Elements》化學展覽提供化學反應視頻,影片中氧化鉻催化氨氣氧化和發酵過程就是在這期間拍攝的。

項目結束后,我們一直希望能做一個關于催化的完整影片。但因為其他拍攝任務,直到今年11月這個愿望終于實現。 《催化》也是重現化學系列的第21個影片。 

  

 

 

攝影/文字:梁琰

分子動畫:石千慧

 

 

 

 

重現化學是美麗科學和中國化學會的合作項目,也是2019年度科普中國孵化支持項目。

 

 

 

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