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催化剂属于化学的哪个知识

发布时间:2022-05-06 14:13:00

① 化学催化剂

催化剂又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)于1981年提出的定义,催化剂是一种物质,它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。

② 什么是化学反应的催化剂

  1. 初中课本上定义: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。

  2. 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。

③ 催化剂的相关知识

生物学中的酶是具有高活性的蛋白分子。它的作用机理
有很多种,如趋近作用,亲核作用,亲电子作用等。
它具有高效性,专一性,条件性(条件严格,因为蛋白质容易变性)

而化学里讲的催化剂只具有一般的催化作用,
其作用机理是降低化学反映的活化能。

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生化中酶的作用机理:
酶的作用机理

酶催化反应机理的研究是当代生物化学的一个重要课题。它探讨酶作用高效率的原因以及酶反应的重要中间步骤。

酶原的激活(proenzyme activation)着重研究酶在激活——由无活性的酶原转变成有活性的酶时构象发生的变化。

一、与酶的高效率有关的因素

据现在所知,重要的因素有以下几个方面:

1.底物与酶的“靠近”(proximity)及“定向”(orientation)

由于化学反应速度与反应物浓度成正比,若在反应系统的某一局部区域,底物浓度增高,则反应速度也随之增高。提高酶反应速度的最主要方法是使底物分子进入酶的活性中心区域,亦即大大提高活性中心区域的底物有效浓度。曾测到过某底物在溶液中的浓度为0.001mol/L,而在其酶活性中心的浓度竟达100mol/L,比溶液中的浓度高十万倍!因此,可以想象在酶的活性中心区域反应速度必定是极高的。

“靠近“效应对提高反应速度的作用可以用一个着名的有机化学实验来说明,如表4-12,双羧酸的单苯基酯,在分子内催化的过程中,自由的羧基作为催化剂起作用,而连有R的酯键则作为底物,受—COO-的催化,破裂成环而形成酸酐,催化基团—COO-愈靠近底物酯键则反应速度愈快,在最靠近的情况下速度可增加53000倍。

但是仅仅“靠近”还不够,还需要使反应的基团在反应中彼此相互严格地“定向”,见图4-19。只有既“靠近”又“定向”,反应物分子才被作用,迅速形成过渡态。

当底物未与酶结合时,活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近,但由于酶活性中心的结构有一种可适应性,即当专一性底物与活性中心结合时,酶蛋白会发生一定的构象变化,使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确地排列并定位,以便能与底物楔合,使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶,这也就是前面提到的诱导楔合。这样活性中心局部的底物浓度才能大大提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增大的一种很重要的原因。反应后,释放出产物,酶的构象再逆转,回到它的初始状态。对溶菌酶及羧肽酶进行的X-衍射分析的实验结果证实了以上的看法。Jenck等人指出“靠近“及“定向”可能使反应速度增长108倍,这与许多酶催化效率的计算是很相近的。

2.酶使底物分子中的敏感键发生“变形”(域张力)(distortion或strain),从而促使底物中的敏感键更易于破裂。

前面曾经提到,当酶遇到它的专一性底物时,发生构象变化以利于催化。事实上,不仅酶构象受底物作用而变化,底物分子常常也受酶作用而变化。酶中的某些基团或离子可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低,产生“电子张力”,使敏感键的一端更加敏感,更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生变形,见图4-20A,这样就使酶-底物复合物易于形成。而且往往是酶构象发生改变的同时,底物分子也发生形变,见图 4-20 B,从而形成一个互相楔合的酶-底物复合物。羧肽酶A的X-衍射分析结果就为这种“电子张力”理论提供了证据。

3.共价催化(covalent catalysis)

还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度,即共价催化。这种方式是底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物,这个中间物很易变成过渡态,因此反应的活化能大大降低,底物可以越过较低的“能阈”而形成产物。

共价催化可以提高反应速度的原因需要从有机模式反应的某些原理谈起,共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团(nucleophilic group)对底物中亲电子的碳原子进行攻击。亲核基团含有多电子的原子,可以提供电子。它是十分有效的催化剂。亲核基团作为强有力的催化剂对提高反应速度的作用可由下面亲核基团催化酰基的反应中看出:第一步,亲核基团(催化剂Y)攻击含有酰基的分子,形成了带有亲核基团的酰基衍生物,这种催化剂的酰基衍生物作为一个共价中间物再起作用;第二步,酰基从亲核的催化剂上再转移到最终的酰基受体上,

(1)亲核基团(Y)催化的反应:

(2)非催化的反应:

这种受体分子可能是某些醇或水。第一步反应有催化剂参加,因此必然比没有催化剂时底物与酰基受体的反应更快一些;而且,因为催化剂是易变的亲核基团,因此如此形成的酰化催化剂与最终的酰基受体的反应也必然地要比无催化剂时的底物与酰基受体的反应更快一些,此两步催化的总速度要比非催化反应大得多。因此形成不稳定的共价中间物可以大大加速反应。酶反应中可以进行共价催化的、强有力的亲核基团很多,酶蛋白分子上至少就有三种,即图4-21中所指出的丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基及组氨酸的咪唑基。此外,辅酶中还含有另外一些亲核中心。共价结合也可以被亲电子基团(electrophilic group)催化,最典型的亲电子

等也都属于此类,它们可以接受电子或供出电子。

下面将通过共价催化而提高反应速度的酶,按提供亲核(或亲电子)基团的氨基酸种类,分别归纳如表4-13:

丝氨酸类酶与酰基形成酰基-酶;或与磷酸基形成磷酸酶,如磷酸葡萄糖变位酶。半胱氨酸类酶活性中心的半胱氨酸巯基与底物酰基形成含共价硫酯键的中间物。组氨酸类酶活性中心的组氨酸咪唑基在反应中被磷酸化。赖氨酸类酶的赖氨酸ε-氨基与底物羰基形成西佛碱中间物。

4.酸碱催化(acid-base ctatlysis)

有机模式反应指出,酸碱催化剂是催化有机反应的最普遍的最有效的催化剂。

有两种酸碱催化剂,一是狭义的酸碱催化剂(specific acid-base catalyst),即H+与OH-,由于酶反应的最适pH一般接近于中性,因此H+及OH-的催化在酶反应中的重要性是比较有限的。另一种是广义的酸碱催化剂(general acid-base catalyst),指的是质子供体及质子受体的催化,它们在酶反应中的重要性大得多,发生在细胞内的许多种类型的有机反应都是受广义的酸碱催化的,例如将水加到羰基上、羧酸酯及磷酸酯的水解,从双键上脱水、各种分子重排以及许多取代反应等。

酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基,如氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基等。见表4-14。其中组氨酸的咪唑基值得特别注意,因为它既是一个很强的亲核基团,又是一个有效的广义酸碱功能基。

影响酸碱催化反应速度的因素有两个,第一个是酸碱的强度,在这些功能基中,组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0,这意味着由咪唑基上解离下来的质子的浓度与水中的[H+]相近,因此它在接近于生物体液pH的条件下,即在中性条件下,有一半以酸形式存在,另一半以碱形式存在。也就是说咪唑基既可以作为质子供体,又可以作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。因此,咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基。第二个是这种功能基供出质子或接受质子的速度,在这方面,咪唑基又是特别突出,它供出或接受质子的速度十分迅速,其半寿期小于10-10秒。而且,供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点,所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少,却很重要。推测它很可能在生物进化过程中,不是作为一般的结构蛋白成分,而是被选择作为酶分子中的催化结构而存在下来的。

广义的酸碱催化与共价催化可使酶反应速度大大提高,但是比起前面两种方式来,它们提供的速度增长较小。尽管如此,还必须看到它们在提高酶反应速度中起的重要作用,尤其是广义酸碱催化还有独到之处:它为在近于中性的pH下进行催化创造了有利条件。因为在这种接近中性pH的条件下,H+及OH-的浓度太低,不足以起到催化剂的作用。例如牛胰核糖核酸酶及牛凝乳蛋白酶等都是通过广义的酸碱催化而提高酶反应速度的。
5.酶活性中心是低介电区域

上面讨论了提高酶反应速度的四个主要因素。此外,还有一个事实必须注意,即某些酶的活性中心穴内相对地说是非极性的,因此,酶的催化基团被低介电环境所包围,在某些情况下,还可能排除高极性的水分子。这样,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力,这是有助于加速酶反应的。酶活性中心的这种性质也是使某些酶催化总速度增长的一个原因。

为什么处于低介电环境中的基团之间的反应会得到加强?可以用水减弱极性基团间的相互作用来解释。水的极性和形成氢键能力使它成为一种具有高度作用力的分子,水的介电常数非常高(表4-15)。它的高极性使它在离子外形成定向的溶剂层(oriented solvent shell),产生自身的电场,结果就大大减弱了它所包围的离子间的静电相互作用或氢键作用。

上面介绍了实现酶反应高效率的几个因素,但是并不能指出哪一种因素可以影响所有酶的全部催化活性。更可能的情况是:不同的酶,起主要影响的因素可能是不同的,各自都有其特点,可以受一种或几种因素的影响。
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催化剂(化学中)的作用:
酶作用在于降低反应活化能(Energy of activation EACT):
酶促反应速度比非催化反应高108~1020倍,比一般催化反应高107~1013。
化学反应速率依赖三个因素:碰撞频率、能量因素、概率因素(有效碰撞)。
有效碰撞:能发生化学反应的分子间碰撞。
活化分子:能发生有效碰撞的分子。
活化能:在任何化学反应中,反应物分子必须超过一定的能阈,成为活化的状态,才能发生变化,形成产物。这种比一般分子高出的能量或提高低能分子达到活化状态的能量,称为活化能。

从初态转化为过渡态需要能量,即为活化能,活化能越大,中间产物越难形成,反应越难进行。
参考资料:网络知道

④ 化学中催化剂也算是反应物吗

在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率(既能提高也能降低),而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂。【从定义看不算反应物。】
也有一种说法,催化剂参与化学反应。在一个总的化学反应中,催化剂的作用是降低该反应发生所需要的活化能,本质上是把一个比较难发生的反应变成了两个很容易发生的化学反应。在这两个反应中,第一个反应中催化剂扮演反应物的角色,第二个反应中催化剂扮演生成物的角色,所以说从总的反应方程式上来看,催化剂在反应前后没有变化。例如:
CFC破坏臭氧,其实就是它先于臭氧反应生成一个原子氧和一个复杂的化合物,然后另外一个臭氧分子和那个化合物反应生成一个原子氧和CFC,然后2个原子氧反应变成一个氧气分子。所以CFC在总反应前后没有变化,在总反应中,我们可以认为CFC充当催化剂使臭氧分子变成氧气分子,但其实CFC参与化学反应。
KClO3制氧气加入MnO2,可发生下列反应:
2KClO3+2MnO2==加热2KMnO4+Cl2↗+O2↗,2KMNnO4==加热K2MnO4+MnO2+O2↗,K2MnO4+Cl2==加热2KCl+MnO2+O2

催化剂原先因发生化学反应而生成的物质会在之后进一步的反应中重新生成原有催化剂,即上面提到的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化。
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。

⑤ 高中化学中的催化剂的概念

在化学反应里能够改变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都没有发生变化的物质叫做催化剂(又叫触媒)。
1.“改变”有双重含义,即“加快”或“减慢”。有的同学认为催化剂的作用就是加快化学反应的速率。实际上,催化剂也有正负之分,正催化剂能加快化学反应的速率,如人体中的酶可加快食物的消化等;而负催化剂能减慢化学反应的速率,如橡胶制品中的防老剂等。
2.“化学性质”和“质量”在反应前后都没有变化,说明催化剂在化学反应前后本身的化学性质和质量一定保持不变,但物理性质有可能发生变化。因此,不能说成催化剂本身的性质在反应前后没有变化。
3.由于催化剂只能改变化学反应速率,因此催化剂不能增大生成物的质量。生成物的质量只取决于反应物的质量多少。
4.催化剂具有选择性,即一种催化剂只能对某个或某类化学反应有催化作用,并非对所有化学反应都有催化作用。但一个化学反应的催化剂可能有多种,如用过氧化氢制取氧气的反应中,除了用二氧化锰做催化剂之外,还可以用氧化铜、氧化铁等作催化剂。建筑上用的水泥、红砖粉末等也对过氧化氢分解有催化作用。
5.虽然催化剂是反应条件,但它不同于“点燃”、“加热”等反应条件,能决定化学反应的发生,因此催化剂只能改变化学反应速率,不能决定化学反应是否发生。如没有二氧化锰做催化剂,双氧水在通常情况下也会放出氧气,只不过反应速率缓慢。

⑥ 举例说明什么是催化剂它在化学反应中有何作用求解答

使化学反应加快的催化剂,叫做正催化剂;使化学反应减慢的催化剂,叫做负催化剂。例如,酯和多糖的水解,常用无机酸作正催化剂;二氧化硫氧化为三氧化硫,常用五氧化二钒作正催化剂,这种催化剂是固体,反应物为气体,形成多相的催化作用,因此,五氧化二钒也叫做触媒或接触剂;食用油脂里加入0.01%~0.02%没食子酸正丙酯,就可以有效地防止酸败,在这里,没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。

⑦ 催化剂的研究属于燃烧化学动力学么

反应活化能是动力学研究范畴,它可以用来计算反应速率与反应物、催化剂浓度之间的关系。而实际耗能是热力学范畴,它可以计算反应在什么情况下可以自发发生和反应吸热或放热的大小。由热力学计算出的自发反应不一定能够发生。因为它的反应速率可能很慢,比如氢气和氧气混合,无催化剂在室温下根本无法反应,所以需要动力学计算反应活化能以及频率因子,使反应加快或减慢(通过改变温度或催化剂)。化学动力学是物理化学的一个重要分支学科,其所要探讨的主要课题是从动态角度由宏观唯象到微观分子水平探索化学反应全过程的速率和机理,即研究化学反应过程的速率,化学反应过程中诸内因(结构、性质等)和外因(浓度、温度、催化剂、辐射等)对反应速率(包括方向变化)的影响以及探讨能够解释这种反应速率规律的可能机理,为最优化提供理论根据,以满足生产和科学技术的要求。化学动力学和化学热力学都是物理化学两大重要分支学科,它们各有不同的研究内容。化学热力学的任务是讨论化学过程中能量转化的衡算以及解决在一定条件下进行某一化学反应的方向和限度问题。它讨论体系的平衡性质,不考虑时间因素和过程细节。而化学动力学研究完成化学反应过程所需时间、影响条件以及实现这一过程的具体步骤(机理)。一句话,化学热力学只回答化学反应的可能性问题;而化学动力学才回答化学反应的现实性问题。阿仑尼乌斯(arrhenius)公式:
k=a*e^(-ea/rt)
活化分子具有的最低(或平均)动能与分子平均动能的差值,就成为活化能ea。一般化学反应的活化能在42~420kj/mol之间。
1.
温度与反应速率呈指数关系,即影响显着;
2.
a(指前因子,和何种反应有关)相似的化学反应,活化能相对小的,反应速率相对大;
3.
温度一定,活化能越大的反应,反应速率越小;温度变化时,活化能越大的反应,反应速率变化越大。应用到工业生产中,不仅需要考虑要为反应提供多少能量(热力学),还要考虑反应速率的大小(动力学),否则产品生产速率太低。例如合成氨的反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应,在实际生产中,仅仅考虑如何最大限度地提高平衡混合物中nh3的含量问题(化学平衡的移动问题,热力学)还不行,还需要考虑单位时间里的产量问题(化学反应速率问题,动力学)。热力学要求低温高压使反应能够发生,动力学可以考虑加催化剂以加快反应进行。但在低温下反应速率太低,所以动力学要求适当提高温度,但不能太高,否则产率低(热力学原理),故一般控制在500度.
建议你最好看看《物理化学》

⑧ 化学中催化剂的概念是什么

催化剂是指在化学反应中能改变其他物质的反应速度,而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有改变的物质

⑨ 在初三化学中,催化剂也叫做什么谢谢

催化剂的作用非常大,它可以改变化学反应的速度。在化学中,催化剂也叫做触媒,它的定义是:能够改变其它物质的化学反应速度,而本身的质量和化学性质在化学反应前后没有发生变化的物质。目前许多有机反应中,催化所担任的角色就不仅仅是改变反应速度了,如果缺少了这些必要的催化剂,许多反应都不能进行。

⑩ 催化剂是物理性质还是化学性质催化剂利

(1)催化剂的催化作用有的是其化学性质还有的是物理性质!
(2)催化剂的催化提供界面---是物理性质!
(3)催化剂的催化参与中间过程---是其化学性质!

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