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科学难题,单原子催化剂的催化反应机理

已有 1593 次阅读 2019-7-1 16:29 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

                      催化原理

晏成和(yych66@126.com)

化学的皇冠在于化学反应,研究有些物质能够发生相互作用、产生化学变化,生成新的物质。催化则是画龙点睛、是皇冠上的珍珠,理解了催化,化学的大门就打开了一半。 所以在中国科协公布的20重大科学问题和工程技术难题中:“单原子催化剂的催化反应机理” 赫赫在榜。

 

化学反应的过程是物质重组、构成新物质的过程,其实质是拆散原来分子的结构,而重新组建新的分子结构的过程。在化学研究中发现,有些物质能够相互起反应,产生化学变化,生成新的物质,有些物质在一起则不能起反应;有的反应容易、有的则很困难;有的反应神速、有的反应缓慢。由此,在化学研究中制定了一个拟人化的名词:化学性质-活泼,却无从知道这“活泼”来自哪里。

 

催化是化学反应中最神奇的现象:催化作用能够改变化学反应速率,能够使原来缓慢的化学反应极大加快、甚至是原来不能发生的反应变为可能。而且催化剂只是参入反应,在反应前后自身基本没有变化。催化是自然界中普遍存在的重要现象,催化作用几乎遍及化学反应的整个领域。

人类发现催化现象已经二百年,但是催化的神奇尚未破解,所以全世界的研究者每四年召开一次催化大会,已经召开了64年。昨天,中国科协公布的20重大科学问题中,“单原子催化剂的催化反应机理” 名列第三。

数万的世界精英前赴后继一百年攻坚受挫,催化仍然是世界之谜,原因何在?

 

正统的学者探讨催化,必须仰赖《物理化学》,该学科虔诚于现代量子力学的波粒二象性理论,研究者都自觉接受现代物理学的“电子云、测不准”的教诫,不会、也不敢去探索核外电子的线路、速率。然而改变电子运转速率正是催化反应的核心机制,墨守量子物理的禁忌,回避探讨电子的规律运转,回避机制怎能侦破机理,当然是与自然的真实失之交臂。

 

天地有大美而不言,万物有成理而不说。自然事实告诉我们,分子是原子结合构成的,同一种原子往往是两两结合构成分子,这在气体中表现明显,如:O2氧气、H2氢气;不同种原子的结合往往是使共有的核外电子数达到8或8的整数倍,如:H2O水、CO2二氧化碳、NaCl盐。

原子之间的结合是相互吸引对方的价电子形成价电子共享,也就是在共享价电子的环绕中构成了分子,我在文章中称之为结构元、共享电子为价和电子。那么,共享电子就是结构元(分子)的壁垒。化学反应就是拆散原来的结构元壁垒,而重新组建新的结构元的过程。[1]


                 

·                        固体      结构元       液体

·                                            图一

物质间的结合是有方向的,首要的趋势是使核外电子数达到或趋近稳定状态,能够起反应的一般是价电子速率相近,或是价电子易于调整速率达到一致的物质。

于是化学反应就面临新的问题:应该考虑原子的直径、核外电子的稳定性;考虑反应的方向性;考虑电子的速率及其变化;注意到价和电子所组成的结构元在其间的作用,这将能使人们对物质间结合及变化的认识更进一步。

 

在化学反应中,有的物质性质活泼,能与多种物质起反应,一般来讲化学性质活泼是因其价电子速率可塑性较大,能在较大范围内随其他物质的价电子速率变化,达到同步结合成新结构元,如氧元素及一些轻金属钾、钠、钙等。

在化学中也有物质不活泼,除了惰性气体,还有重金属元素,其价电子速率受到内层大量稳定、高速同步旋转的电子的牵制,因而其速率相当稳定不易变更,组成的结构元不易被破坏,故其化学性质是十分稳定,如银、铂、金。重金属元素常常用来做催化剂。

 

催化    现在催化的方法很多,有加温、有催化剂、光照、磁场、微波等等,其核心就是改变价电子速率,使反应物双方结构元的价电子速率接近,有利结构元重组,使化学反应能够顺利进行。

催化剂的催化作用一直蕴含着神奇,使原来几乎不能发生的反应,在进入了催化剂之后瞬间完成,而催化剂自身毫发无损。我们了解了化学反应的价电子的速率及重组过程再来看催化剂,其实催化一点也不神秘。


催化剂一般是原子量很大的重金属元素,其价电子速率受到内层大量稳定、高速旋转的电子的牵制,其速率同步相当稳定不易变更,化学性质是十分稳定。当有需要反应物质的分子被迫经过这些稳定的结构元的表面时,这些反应物质的价和电子的速率会受到这稳定价和电子的牵制而更变速率。这样,就使得原来因速率不能同步而难以进行的化学反应,因速率的变更而同步,反应变得容易快捷,这就是催化作用。


所以催化剂一般都是重金属元素,或是其他价和电子速率相当、运转稳定的物质。这类物质在用作催化剂时,应尽量扩大其表面(做成蜂窝状等),使反应物质能更多地与这些表面接触,受到催化剂价电子的牵制而改变速率。催化剂在化学反应中丝毫无损,它只是在反应中起修改反应物质的部分结构元的价电子速率的作用。单原子催化剂的催化反应机理也就是重金属元素催化机理。


在我之前的文章中,多次论述:温度升高物质的核外电子速率提高。所以,改变温度也能够有催化作用。同样:光照、磁场、微波等都是能够改变核外电子速率的因素,也能够发生催化作用。

催化问题百年攻坚不下,不是大自然狡猾、也不是攻坚队伍缺少毅力智慧。而是思想受到禁锢,是前辈设立了不能涉足电子运转线路、速率的探索禁区。而核外电子运转线路、速率是事件发生的内在机理、是科学探索前进的必由之路。

                                             2019、7、1、

 

[1]:物质由结构元构成,见我以前的文章

《化学键 一个世纪的迷茫(一) 

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