綜述
因此,盡管催化現(xiàn)象在18世紀(jì)就已知道,但是當(dāng)初不可能把它們看作是專門的一類反應(yīng)。最早清楚地認(rèn)識到催化現(xiàn)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(yīng),盡管當(dāng)時還沒有催化作用這個詞。隨后不久,戴維(SirHumPhryDavy)在1814年發(fā)現(xiàn)了煤氣在鉑上進(jìn)行氧化反應(yīng),這是一個多相催化反應(yīng),他詳細(xì)描述了這個反應(yīng)過程。在以后一段時間里,一些人繼續(xù)研究鉑上的氧化反應(yīng)。泰納(Thenard)發(fā)現(xiàn)溶液中或以分離相存在的某種少量物質(zhì)會促進(jìn)過氧化氫分解。
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(yīng)的著名文章,他表征并評價了催化劑的催化活性、失活、中毒和活化,同時進(jìn)行了一些反應(yīng)動力學(xué)研究。盡管動力學(xué)測量比較粗糙,但是由此卻能夠?qū)С鲆恍┲匾Y(jié)論。他認(rèn)為氫氣和氧氣在鉑表面上聚集而相互接近,從而導(dǎo)致反應(yīng)的發(fā)生。鉑本身不能使任何微粒結(jié)合,鉑的作用僅僅是把反應(yīng)物緊密地吸引到它的周圍。但,當(dāng)時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(jì)元中,是貝采里烏斯(Berzelius)于1836年最先用催化作用一詞來描述有關(guān)痕量物質(zhì),本身并不消耗而能夠影響反應(yīng)速率的各種各樣的觀察結(jié)果。貝采里烏斯引用的例子是淀粉受酸催化水解為葡萄糖,金屬離子對過氧化氫分解的影響,及鉑在氫氣和氧氣反應(yīng)中的作用等。催化(catalysis)一詞是由兩個希臘字拼成,字首cata-表示下降,動詞lysein意思是分裂或破碎。貝采里烏斯可能是用“catalysis”一詞來表示把阻礙分子反應(yīng)的正常力破除掉。當(dāng)時,反應(yīng)物、產(chǎn)物和催化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)都不清楚,原子—分子理論還沒完全建立起來,化學(xué)鍵的本質(zhì)以及能的概念也不清楚,電子還沒發(fā)現(xiàn),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(rèn)為催化作用不是一個化學(xué)過程。他提出了催化力的概念來說明催化現(xiàn)象。所有的分子具有一定的剩余親合力。沒有證據(jù)表明:任何物質(zhì)中,元素的完全吸引的親合力全部滿足,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(yīng),鉑通過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(jié)合。貝采里烏斯認(rèn)為催化作用是一個物理過程。
并不是每一個人都接受貝采里烏斯的觀點、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(yīng)包含這樣一個過程:首先鉑被氧氣氧化,然后該氧化物被氫氣還原。他認(rèn)為沒有必要借助于由貝采里烏斯提出的神秘催化力來說明該反應(yīng)。
大化學(xué)家李比希(JustusvonLiebig)也反對貝采里烏斯的觀點。他在寫給朋友武勒的信中談到:“你是否知道,在德國有些俊瓜寫了一些書,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(rèn)為催化力的整個觀念都是錯誤的嗎?”圍繞著催化反應(yīng)現(xiàn)象,還有其它一些理論解釋,如19世紀(jì)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?xì)溲趸旌衔?。但,這個假說不能說明催化劑的選擇性,因此,很快就被拋棄了。1858年,有機(jī)化學(xué)家凱庫勒認(rèn)為,催化劑的作用是使反應(yīng)物微粒互相接近,削弱了反應(yīng)物自身原子間的結(jié)合力。格林(B.Green)提出催化劑起著反應(yīng)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(xiàn)??傊?,在這個時期內(nèi),發(fā)現(xiàn)了一些催化現(xiàn)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題。
物理化學(xué)之父奧斯特瓦爾德(F.W.Ostwald)提出了具有現(xiàn)代觀點的催化劑和催化作用的定義:“凡能改變化學(xué)反應(yīng)的速度而本身不形成化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物,就叫做催化劑?!彼谐?種類型的催化作用:(1)過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,開始了題為“化學(xué)動力學(xué)研究”的一系列工作。他首先開展了酸催化的乙酰胺的皂化作用和酯的水解作用的研究,接著又進(jìn)行了蔗糖在各種酸存在時的轉(zhuǎn)化實驗。這些研究為他以后在萊比錫時期,在催化研究方面的大豐收打下了基礎(chǔ)。
1887年,奧斯特瓦爾德來到萊比錫大學(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(jié)了許多實驗結(jié)果,并根據(jù)熱力學(xué)定律,定義了催化作用。從那時到現(xiàn)在近一個世紀(jì),其基本思想變化不大。他還出版了《接觸作用學(xué)說通史》(1898),考察了催化作用的來龍去脈。而對整個問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(yīng)速率方面的功績卓著,奧斯特瓦爾德獲得諾貝爾化學(xué)獎。他是第一個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(xiàn)代觀點存在相當(dāng)大的距離,與法拉第很相似,奧斯特瓦爾德認(rèn)為催化劑所起的作用僅僅是反應(yīng)物在其表面上的濃縮而已。