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催化中和理论
大连工业大学纺织轻工学院纺织工程091班石霖
关键词：催化中和理论、假性催化剂
正文：我们先来看几组化学反应：
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O
SiO2 + 2NaOH =Na2SiO3 +H2O
Fe2O3 +6HCl = 2FeCl3 +3H2O
Na2O + CO2 = Na2CO3
这几个反应有一个共同的特点,就是酸性物质与碱性物质的反应.以第一个反应为例,是不是二氧化碳通入氢氧化钠溶液中后,二氧化碳直接与氢氧化钠反应呢?我想不是的,我们不妨先看几个实验：
实验一：二氧化碳通入氢氧化钠溶液中
实验二：湿润的二氧化碳气体与氢氧化钠固体放在湿润的环境中
实验三：干燥的二氧化碳于干燥的氢氧化钠固体放在干燥的环境中
即使不做实验我们也能推断出这三组实验的化学反应速率为v( 实验一)>v(实验二)>(实验三),事实证明,水蒸气的分压越大(在气相反应中)反应速率越快,而在溶液中氢氧化钠溶液的浓度越大,反应速率越快,那么为什么会出现这样的现象呢?
对于实验一的现象我们当然可以认为是由于接触面积大而引起的化学反应速率快,然而对于实验二、实验三以及在它们之间设置的一系列水蒸气分压不同的实验现象,用接触面积就无法解释了.我先不去解释这种现象,我们不妨先用极限的思想来考虑一下这个问题,由不完全归纳法可知,当二氧化碳与氢氧化钠固体放在一起时,当气相中的水蒸气分压无限接近于0时,二氧化碳与氢氧化钠的反应速率会无限慢,在理想的情况下,即水蒸气的分压真的为0时,二氧化碳和氢氧化钠是不会反应的.
通过以上的推论我们不难发现在这其中水是一个制约反应进行的重要因素.我们可以大胆的做以下猜想：
CO2在通入氢氧化钠溶液中时首先会有以下反应：
CO2 +H2O → H2CO3→H+ +HCO3- →2H+ +CO32-
溶液中的H+和OH-结合成水时破坏了上述平衡,使得平衡向右移动,若OH-足量的话,则反应会源源不断的进行下去,直到反应物之一完全消耗（假设反应能进行到底）.若二氧化碳与氢氧化钠固体反应时,二氧化碳首先与少量的水蒸气生成了极少量的碳酸,在水蒸气的环境中,者极少量碳酸中的一小部分能电离,氢氧化钠固体在水蒸气的环境中会潮解,表面会发生电离,碳酸电离出的H+与氢氧化钠电离出的OH-结合生成水,破坏了碳酸的一系列平衡,反应会源源不断的正向进行.由于气相环境中二氧化碳不易于水蒸气反应,生成的极少量碳酸更不容易电离,所以氢离子的浓度很小,所以二氧化碳与氢氧化钠固体反应时的反应速率较慢.当水蒸气的分压越小时,二氧化碳变为碳酸进而电离出H+的概率就越小同时氢氧化钠潮解时电离出的能自由移动的OH-的数目越少,所以二氧化碳与氢氧化钠固体之间的反应也就越难进行.当处于理想状态下,气相中完全没有水分子时,二氧化碳不能转化为碳酸,更不能产生氢离子,同时氢氧化钠固体也不能产生游离的OH-,所以此时反应不能进行.
由此我们可以看出,在这个反应中,水是一种特殊的催化剂,说它为催化剂,是因为它参与了反应历程,而且它在反应前后的质量和化学性质均不会发生改变.说其特殊是因为一般的催化剂只能改变反应的速率,当没有催化剂时,反应也能正常进行,但在这个反应中没有水反应不可能进行,我们不妨称这类催化剂为假性催化剂.
通过上面的论述,我们不难总结出一个结论,酸性物质和碱性物质反应时必须借助水使其产生H+和OH-,否则反应很难或不能进行.但这个结论并不完整,推广一下,我们就可以得到催化中和理论的内涵：在常温或温度不太高的加热状态下,酸性物质和碱性物质（已不再局限于酸碱电离理论）接触时,必须借助一种合适的假性催化剂使得酸性物质转化为质子和它的共轭碱,碱性物质转化为OH-和它的共轭酸（当然,这种转化不一定是完全的）,然后反应才能源源不断的进行下去,直到达到化学平衡状态.如果没有假性催化剂,则此类反应很难或不能进行.
催化中和理论可能的应用：由催化中和理论可知假性催化剂是决定酸碱反应的能否发生的先决条件,在日常的生活中,我们可以通过去除假性催化剂或引入假性催化剂的催化毒物来抑制某些反应的进行.当然也可以通过引入假性催化剂来唤醒物质之间能够发生反应的潜能.