綜述
因此,盡管催化現象在18世紀就已知道,但是當初不可能把它們看作是專(zhuān)門(mén)的一類(lèi)反應。最早清楚地認識到催化現象的是基爾霍夫(G.S.CKirchoff),他在1814年研究了酸催化淀粉水解為葡萄糖的反應,盡管當時(shí)還沒(méi)有催化作用這個(gè)詞。隨后不久,戴維(SirHumPhryDavy)在1814年發(fā)現了煤氣在鉑上進(jìn)行氧化反應,這是一個(gè)多相催化反應,他詳細描述了這個(gè)反應過(guò)程。在以后一段時(shí)間里,一些人繼續研究鉑上的氧化反應。泰納(Thenard)發(fā)現溶液中或以分離相存在的某種少量物質(zhì)會(huì )促進(jìn)過(guò)氧化氫分解。
1834年,法拉第(Faraday)發(fā)表了一篇關(guān)于氫氣和氧氣在鉑箔上反應的著(zhù)名文章,他表征并評價(jià)了催化劑的催化活性、失活、中毒和活化,同時(shí)進(jìn)行了一些反應動(dòng)力學(xué)研究。盡管動(dòng)力學(xué)測量比較粗糙,但是由此卻能夠導出一些重要結論。他認為氫氣和氧氣在鉑表面上聚集而相互接近,從而導致反應的發(fā)生。鉑本身不能使任何微粒結合,鉑的作用僅僅是把反應物緊密地吸引到它的周?chē)5敃r(shí)還不知道氫氣和氧氣是雙原子分子,盡管許多科學(xué)家已經(jīng)接受了道爾頓的原子論。
創(chuàng )始人
在科學(xué)紀元中,是貝采里烏斯(Berzelius)于1836年最先用催化作用一詞來(lái)描述有關(guān)痕量物質(zhì),本身并不消耗而能夠影響反應速率的各種各樣的觀(guān)察結果。貝采里烏斯引用的例子是淀粉受酸催化水解為葡萄糖,金屬離子對過(guò)氧化氫分解的影響,及鉑在氫氣和氧氣反應中的作用等。催化(catalysis)一詞是由兩個(gè)希臘字拼成,字首cata-表示下降,動(dòng)詞lysein意思是分裂或破碎。貝采里烏斯可能是用“catalysis”一詞來(lái)表示把阻礙分子反應的正常力破除掉。當時(shí),反應物、產(chǎn)物和催化劑的化學(xué)結構都不清楚,原子—分子理論還沒(méi)完全建立起來(lái),化學(xué)鍵的本質(zhì)以及能的概念也不清楚,電子還沒(méi)發(fā)現,所以貝采里烏斯不可能對催化作用的本質(zhì)提出一合理的解釋。他認為催化作用不是一個(gè)化學(xué)過(guò)程。他提出了催化力的概念來(lái)說(shuō)明催化現象。所有的分子具有一定的剩余親合力。沒(méi)有證據表明:任何物質(zhì)中,元素的完全吸引的親合力全部滿(mǎn)足,催化劑就是能夠把它所擁有的親合力加到其它任何物質(zhì)上,如對于在鉑上氫氣和氧氣的反應,鉑通過(guò)其表面親合力濃縮氧氣,然后把它提供給濃縮狀態(tài)的氫氣,就發(fā)生結合。貝采里烏斯認為催化作用是一個(gè)物理過(guò)程。
并不是每一個(gè)人都接受貝采里烏斯的觀(guān)點(diǎn)、1838年,德。拉。里夫(delaRive)提出:在鉑表面上,氫氣和氧氣之間的催化反應包含這樣一個(gè)過(guò)程:首先鉑被氧氣氧化,然后該氧化物被氫氣還原。他認為沒(méi)有必要借助于由貝采里烏斯提出的神秘催化力來(lái)說(shuō)明該反應。
大化學(xué)家李比希(JustusvonLiebig)也反對貝采里烏斯的觀(guān)點(diǎn)。他在寫(xiě)給朋友武勒的信中談到:“你是否知道,在德國有些俊瓜寫(xiě)了一些書(shū),不經(jīng)檢驗就采用了‘催化力’,他們將把這些概念填塞到我們孩子的大腦中。你不認為催化力的整個(gè)觀(guān)念都是錯誤的嗎?”圍繞著(zhù)催化反應現象,還有其它一些理論解釋?zhuān)?9世紀20年代,Pfaff提出,催化劑鉑比熱低,因而能夠容易升溫到赤熱狀態(tài),從而引燃氫氧混合物。但,這個(gè)假說(shuō)不能說(shuō)明催化劑的選擇性,因此,很快就被拋棄了。1858年,有機化學(xué)家凱庫勒認為,催化劑的作用是使反應物微粒互相接近,削弱了反應物自身原子間的結合力。格林(B.Green)提出催化劑起著(zhù)反應物微粒載體的作用。J.墨爾塞(J.Mercer)則把催化作用看成弱化學(xué)親合力的表現。總之,在這個(gè)時(shí)期內,發(fā)現了一些催化現象,提出了催化作用概念,但,對其本質(zhì)還十分模糊不清,因而催化作用的定義尚存在一些問(wèn)題。
物理化學(xué)之父奧斯特瓦爾德(F.W.Ostwald)提出了具有現代觀(guān)點(diǎn)的催化劑和催化作用的定義:“凡能改變化學(xué)反應的速度而本身不形成化學(xué)反應的最終產(chǎn)物,就叫做催化劑。”他列出4種類(lèi)型的催化作用:(1)過(guò)飽和物系中離析作用的催化(2)均相混合物中的催化;(3)非均相催化(4)酶的催化作用。
1881年,28歲的奧斯特瓦爾德受聘為里加工學(xué)院的化學(xué)教授,開(kāi)始了題為“化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究”的一系列工作。他首先開(kāi)展了酸催化的乙酰胺的皂化作用和酯的水解作用的研究,接著(zhù)又進(jìn)行了蔗糖在各種酸存在時(shí)的轉化實(shí)驗。這些研究為他以后在萊比錫時(shí)期,在催化研究方面的大豐收打下了基礎。
1887年,奧斯特瓦爾德來(lái)到萊比錫大學(xué),在這里,他和阿累尼烏斯、范特霍甫一起創(chuàng )立了物理化學(xué)。他總結了許多實(shí)驗結果,并根據熱力學(xué)定律,定義了催化作用。從那時(shí)到現在近一個(gè)世紀,其基本思想變化不大。他還出版了《接觸作用學(xué)說(shuō)通史》(1898),考察了催化作用的來(lái)龍去脈。而對整個(gè)問(wèn)題更清楚的表述則是1901年的講演“論催化作用”,它作為小冊子于翌年出版。1909年,由于在研究催化、化學(xué)平衡和化學(xué)反應速率方面的功績(jì)卓著(zhù),奧斯特瓦爾德獲得諾貝爾化學(xué)獎。他是第一個(gè)在催化方面獲得諾貝爾獎的科學(xué)家。
但是,奧斯特瓦爾德對催化作用本質(zhì)的理解與現代觀(guān)點(diǎn)存在相當大的距離,與法拉第很相似,奧斯特瓦爾德認為催化劑所起的作用僅僅是反應物在其表面上的濃縮而已。