你是否有坐車經過雪山隧道的經驗呢？ 若要開車往返臺北宜蘭，大多數的人都會選擇行駛國道五號 但你知道在國道五號尚未完工之前 開車往返兩地只能走台九線北宜公路或台二線濱海公路嗎？ 交通順暢時，經國道五號往返兩地大約需要40分鐘 但若走北宜公路，因為要在山區中行駛 大約需要120分鐘 國道五號確實讓交通變得更方便 縮短了往返兩地的時間 而催化劑在化學反應中扮演的角色就像高速公路一樣 可以加快反應速率！ 大家應該都有做過「雙氧水分解製備氧氣」的實驗吧！ 在過程中會添加二氧化錳作為催化劑 不過其實雙氧水分解的反應不需要催化劑也能發生 只是反應速率非常慢 為什麼二氧化錳可以作為催化劑？ 催化劑是如何加快反應速率？ 催化劑可以增加產物的產率嗎？ 還有，在反應過程中催化劑是否會被消耗呢？ 科學家們經過研究瞭解 催化劑在化學反應中，會開闢一個新的反應途徑 並產生一個較低能量的活化複合體 使活化能減小 當活化能變小時，低限能也隨之降低 使得超越低限能的粒子數量增加 增加有效碰撞的頻率，反應速率隨之提升 也就是說，在原本雙氧水分解的反應中 因活化能太高導致反應速率較慢 但藉由加入少量的固態二氧化錳粉末催化雙氧水分解 可以降低反應的活化能 使反應速率明顯提升 以速率定律式而言 催化劑會使活化能減小 所以會使定律式中的速率常數k值增大 也因為催化劑會使反應途徑產生改變 所以反應級數也有可能會發生改變 不過催化劑可不是萬能的 催化劑雖然可以降低活化複合體的位能而提高反應速率 但也因為活化複合體的位能下降 導致正反應與逆反應的活化能均等量下降 使得正、逆反應的反應速率等倍數增加 所以添加催化劑無法造成化學平衡的移動 當然也就無法提高反應的產率 僅可藉由提高反應速率 縮短反應達平衡時所需要的時間 另外，反應中添加催化劑也有可能因為反應途徑的改變 導致生成物的不同 例如：在不同催化劑的作用下 一氧化碳和氫氣有可能產生甲烷或甲醇 在雙氧水分解反應中，除了二氧化錳之外 其實還有非常多有效的催化劑 例如：亞鐵離子、溴離子、碘離子、白金等 甚至生豬肝、人體血液或酵母菌等生物組織 也都具有非常好的催化效果 一般而言，我們可以利用是否能與反應物均勻混合 將催化劑分成「均相催化劑」與「非均相催化劑」 均相催化劑可與反應物有較大的接觸面積 但因與反應物均勻混合，導致當反應結束後 催化劑難以回收再利用 而非均相的催化劑則相對容易與反應物分離並回收 僅需提高催化劑的表面積 就能增加與反應物間的接觸面積 故工業上常使用非均相催化劑 工業上利用催化劑來提高反應速率的例子相當多 最著名的就是「哈伯法製氨」 佛列茲·哈伯是德國的化學家 於二十世紀初研究出可商業化量產氨氣的方法 並以此方法獲得1918年的諾貝爾化學獎 當時恰好為第一次世界大戰期間 而氨氣又是製造炸藥的原料之一 因此氨氣的大量生產也造成了世界動盪 不過更重要的，氨氣量產也促成化學肥料的誕生 大大提高糧食作物的產量 其中哈伯所使用的催化劑為鐵粉 就是非均相的金屬催化劑 汽車排放的廢氣中常有 一氧化碳、氮的氧化物或未完全燃燒的碳氫化合物等有害物質 為了避免這些有害物質造成危害 政府強制規定汽機車必須於排氣管中安裝觸媒轉換器 「觸媒」就是工業上對「催化劑」的稱呼 而觸媒轉化器可將一氧化碳、氮的氧化物等 轉化成較低毒性的二氧化碳、氮氣與水蒸氣 有效地減少廢氣對環境的危害 由於觸媒轉化器在反應過程中不會因長期使用而損耗或失效 所以汽機車僅需於出廠時安裝觸媒轉化器 之後不需要時時添加或補充觸媒 觸媒轉化器常使用固態的貴重金屬 與廢氣間的反應屬於非均相催化反應 所以觸媒轉化器內部為多孔洞的結構 主要是用來增加與氣體的接觸面積 提高催化的效果 在生物體系統中，催化劑又稱酵素或酶 且大多為蛋白質所構成 蛋白質對於環境的溫度、pH值相當敏感 過高的溫度或不適合的環境容易造成蛋白質變性 故當溫度太高時，酵素容易失去催化效果 因蛋白質為胺基酸的聚合物 可藉由氫鍵構成不同的立體結構 所以生物體中的酵素常具有高度的專一性 也就是反應的對象具有特異性 例如：澱粉酶可催化澱粉水解 但無法分解纖維素 葡萄糖酵素僅可分解葡萄糖 有些人喝牛奶會容易拉肚子 這就是「乳糖不耐症」 這是因為消化系統中分解乳糖的酵素不足所導致 乳糖酶不足會使腸胃道中的乳糖無法有效被分解 當這些乳糖被細菌消化後，會產生大量的氣體或乳酸等物質 進而造成腹瀉的現象 為避免乳糖不耐症所帶來的不適 我們可飲用低乳糖的乳製品或優酪乳 另外，日常生活中也常會使用酵素來提升便利性 例如：嫩肉精為蛋白質分解酶 肉品經由嫩肉精醃製後 蛋白質分解酶會將長鏈蛋白質分解成較小分子，使肉質變細嫩 而洗衣粉中也常加入油污分解酵素 在清洗過程中，酵素會分解油污，使衣物更容易清洗乾淨 一起來動動腦吧！ 生物體中常具有過氧化氫酶 過氧化氫酶可使過氧化氫分解成氧氣與水 下列敘述哪些正確？ 綜觀上述觀點 讓我們整理一下哪些性質會被催化劑改變 哪些又不受影響吧！ 同學們，這一個單元你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的心得 我們下次見