催化剂的理论基础与性能、类型及选择性

    根据国际纯粹化学与应用化学联合会（IUPAC）1981 年的定义，催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质。

    一般定义，在化学反应里能改变（加快或减慢）其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后（反应过程中会改变）都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。一般来说，催化剂是指参与化学反应中间历程的，又能选择性地改变化学反应速率，而其本身的数量和化学性质在反应前后基本保持不变的物质。通常把催化剂加速化学反应，使反应尽快达到化学平衡的作用叫做催化作用。 

一、催化剂的性能 

       一种催化剂只能选择性地加速某一或某些特定的化学反应，亦即同一催化剂对于不同的反应具有不同的催化活性，称催化剂选择性。利用催化剂对反应的选择性来控制原料的化学转变方向，在化学工业中有重要意义。 

    在可逆反应中，对于正、逆反应的速率，催化剂是以同样的倍率产生影响的。所以催化剂虽然能加速化学反应，但它不能改变化学平衡常数，只能影响反应向平衡状态推进的速度。例如铂、钯催化剂可使苯加氢转变为环己烷，但在有利于脱氢反应的热力学条件下，它们也可使环己烷脱氢成苯。 

    催化剂在使用过程中，因某些物理和化学作用破坏了催化剂原有的组织和构造，催化剂会降低或丧失活性，这种现象称为催化剂衰退或催化剂失活。例如反应物中的某些杂质与催化剂作用或覆盖于催化剂表面，会使催化剂中毒，导致催化剂衰退。有些催化剂失活后可以用特定的方法处理，使催化剂再生，重新恢复催化活性；有些催化剂失活后不能再生。但所有的催化剂都有一定的使用期限，称催化剂寿命。

二、催化剂的类型 

    催化剂种类繁多，按状态可分为液体催化剂和固体催化剂。按反应体系的相态分为均相催化剂和多相催化剂。均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂；多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、 金属催化剂、纳米催化剂等。按照反应类型又分为聚合、缩聚、酯化、缩醛化、加氢、脱氢、氧化、还原、烷基化、异构化等催化剂。按照作用大小还分为主催化剂和助催化剂。笼统的分有三种类型：均相催化剂、多相生物催化剂。 

1.均相催化剂　催化剂和反应物同处于一相，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和固体酸、碱催化剂，可溶性过渡金属化合物（盐类和络合物）等。均相催化剂以分子或离子独立起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性。 

（2）多相催化剂　多相催化剂又称非均相催化剂，在不同相的反应中， 与它们催化的反应物处于不同的状态。一个简易的非均相催化反应包含了反应物吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。 

（3）生物催化剂　酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物（绝大多数的蛋白质，但少量 RNA 也具有生物催化功能），旧称酵素。酶的催化作用同样具有选择性。大约在37℃时（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于 50℃ 或 60℃，酶就会被破坏而不能再产生作用。 

三、催化剂的选择性 

    催化剂有的是单一化合物，有的是络合化合物，有的是混合物。催化剂对反应有严格的选择性，催化剂的应用有很强的专一性。不同的反应所用的催化剂有所不同，例如淀粉氧化用的催化剂以 NaClO₂作氧化剂，Ni²⁺、 Fe²⁺、Cu²⁺等催化作用较好；若用 H₂O₂作氧化剂时，Fe²⁺、Mn²⁺等效果好，而 Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺等效果较差；当用 KMnO₄为氧化剂时，自身反应产生的 Mn²⁺作催化剂，但 Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等均无催化作用。 

    同一反应也有不同效果的催化剂，例如聚乙烯醇缩甲醛化反应，以酸作催化剂，其效果是盐酸（HCl）> 硫酸（H₂SO₄）> 磷酸（H₃PO₄）。同是苯酚与甲醛反应合成酚醛树脂，使用氢氧化钠、氢氧化钡、盐酸、氨水、草酸、 醋酸、甲酸、硫酸、磷酸、氧化镁、氧化锌等催化剂，其产品性能都有所不同。在选择催化剂时还必须注意，催化剂的性能不仅取决于其活性组分，而且是各种成分的性质及其相互影响的总和。