简说化学反应的能量与催化剂

这几天，随着某市的水氢动力汽车成为新闻热点，化学反应中的能量问题和催化剂又受到了人们的注意。

迄今为止，我们所用的能源，绝大多数还是地球上的化学能源，有些即使可以归结到过去太阳的核能，我们直接使用的还是经过转化而成的化学能。

什么是化学能或者说什么样的化学反应可以成为能量的来源呢？

我们先来看一下现在我们家里许多人做饭使用的天然气燃烧的化学过程。天然气的主要成分是甲烷CH₄，它与氧气反应，就能够产生二氧化碳CO₂和水H₂O

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O   

在这个过程中，能够放出能量800千焦耳/摩尔的能量。

为什么这个过程能够放出800千焦耳/摩尔能量呢？这些能量是从哪里来的呢？

众所周知，所有的分子都由原子构成，原子之间形成化学键。例如，一个甲烷分子由一个C原子和4个H原子构成。一个甲烷分子有4个C-H键。所谓化学键，马马虎虎地说，可以看作把两个原子拉在一起的力量。要切断一个键，就需要能量。要切断1摩尔C-H键，大约需要415千焦耳能量。当然，这句话也可以倒过来说，要形成1摩尔C-H键，大约会放出415千焦耳能量。

同样，一个氧分子由两个氧原子构成，把这两个氧原子之间的化学键切断，需要498千焦耳/摩尔的能量。

所谓化学反应，实际上就是原子的重新组合。换句话说，就是把一些化学键切断，来组成另一些新的化学键。

上面的甲烷与氧气反应，可以看成是把甲烷中的C-H键切断，把氧气中的氧原子之间的键也切断，再由氢原子与氧原子形成氢氧键H-O、碳原子与氧原子形成碳氧键C-H。前面切断化学键是需要能量的，而后面形成化学键却是放出能量的。前后两个过程需要和放出能量的差，就是这个化学反应所需要或所放出的能量。

这是一个简单的算术过程。

切断1摩尔C-H键，需要415千焦耳能量。把1摩尔甲烷中C-H键全部切断，需要415×4 = 1660千焦耳能量。

切断1摩尔氧氧键，需要498千焦耳能量。与1摩尔甲烷反应，需要2摩尔氧气，切断全部氧氧键，需要498×2 = 996千焦耳能量。

从上面的化学方程式看出来，这个反应会形成1摩尔CO₂和2摩尔H₂O，也就是要新形成2摩尔碳氧键和4摩尔氢氧键。

形成1摩尔碳氧键要放出798千焦耳能量，形成2摩尔即放出798×2 = 1596千焦耳能量。

形成1摩尔氢氧键要放出465千焦耳能量，形成4摩尔即放出465×4 = 1860千焦耳能量。

算一算总账：1596 + 1860 - 1660 - 996 = 800

这样，燃烧一个摩尔甲烷，就能够放出800千焦耳能量。

1摩尔甲烷是16克，800千焦耳约合热量191千卡，把1升水的温度升高1度需要1千卡，如果您家里的炉子热效率很高，这些能量大概可以烧开两升水。这就是化学反应中的能量，各位家里使用的能源。

如果化学反应生成化学键产生的能量比切断化学键需要的能量多，也就是说，化学反应是放能的，这样的化学反应理论上就可以作为能源来使用。

再举一个例子，就是氢气在氧气中燃烧生成水

2H₂ + O₂ → 2H₂O

与上面同样的分析，断开2摩尔H-H键需要436×2 = 872千焦耳能量，断开1摩尔氧氧键需要498千焦耳，而生成4摩尔氢氧键放出465×4 = 1860千焦耳能量。

1860 - 872 - 498 = 490

这样，燃烧2摩尔氢气可以490千焦耳能量。2摩尔氢气只有4克，8摩尔氢气是16克，燃烧后可以放出490×4 = 1960千焦耳能量。由此可见，燃烧同样重量的气体，氢气放出的能量是甲烷的2.45倍。

天然气已经是如今非常好的高效的清洁能源了，可是，氢气的热效率比天然气还要高2.45倍，而且产物只是水而不是有“温室气体”污名的二氧化碳。氢气确实是一种非常非常理想的能源。

但是，问题来了，天然气可以从地下气井里开采而得，那么多氢气从哪里来？

有人说了，可以从水里来啊，水取之不竭、用之不尽，分解水就可以得到氢气和氧气。

问题是，从化学上看，从水里制造氢气，就是把上面那个方程式倒过来：

2H₂O → 2H₂ + O₂

用上面同样的断开键和生成键的分析，这个反应需要输入490千焦耳能量。产生氢气需要490千焦耳，燃烧的时候能够放出490千焦耳。100元钱买来的货，又以100元价格卖出去了，白忙乎一场。

有时候，这样的“白忙乎”是有意义的。我们可以在某些能源丰富的地方去制氢气，再把氢气运到城市等人多容易污染的地方来应用，这样可以减少城市的污染。这种所谓二次性能源也是非常有意义的。

但是，现在还有人说，我们可以用催化剂啊，用了催化剂分解水是不是可以不要那么多能量了呢？于是，催化剂登场了。

什么是催化剂？

我们的前辈化学家翻译外国文字时是非常用心的。催就催促，让快一些。京剧表演艺术家周信芳先生唱《追韩信》时就有一句有名的唱词“催马加鞭迷了道”。给马加一鞭子，马就跑得快了。我们的化学反应，用催化剂一催，也就进行得快了。

化学反应是需要时间的，因此也就有反应速率（一般都马马虎虎称速度）的概念。有些反应很快，比如酸碱中和反应，把碱面放在醋里，立刻放出大量气泡。也有些反应非常慢，例如把聚氯乙烯塑料埋在地底下，过好几年，还是好好的，并没有分解掉。

催化剂就能够使某些特定的化学反应变得快起来。例如，我们人光靠着吃草是难以维持生命的，因为草里面的主要成分（除了水）就是纤维素，照理说，纤维素也是由葡萄糖单元聚合而成的，但是，我们的胃和小肠内没有使纤维素水解成葡萄糖的催化剂也就是纤维素水解酶，纤维素水解反应慢得可以认为基本上无法进行。牛羊的瘤胃里有很多细菌，可以分泌出纤维素水解酶，在这种催化剂的作用下，纤维素就能够水解成葡萄糖，因此牛羊们就可以依靠吃草生活。

催化剂为什么能够使得它所催化的反应快起来呢？先要说说为什么有的化学反应快，有的化学反应慢。

这就需要看一下，这些化学反应是如何从反应物变化到产物的。

实际上，很多看起来似乎很简单的反应也并不是一步就能够完成的，而是许多更简单反应的总和。我们来分析一个简单反应的模型。

化学反应的反应物和产物，一般都是稳定存在的物质，所谓稳定存在，就是有一定的构型，即原子的间距、角度、二面角等等。在这种构型下，分子的能量最低。原子的间距、角度、二面角的任何改变，都将引起分子能量的升高。这就像我们在高低不平的地面上，放置一个球，在稳定的情况下，球一定处在地面的坑洼处，不然，球不可能稳定。

比如，我们可以看一下氢分子的能量与两个原子核之间关系的图像

氢分子的平衡核间距约为0.074纳米，在那里，氢分子的能量最低。核间距大于或小于平衡核间距都将使体系的能量升高，从而处于不稳定状态。这就像在洼处的小球，只有在洼底才能够平衡，离开洼底就不会平衡，会自动滚回底部。

所谓化学反应，实际上就是反应体系中的各个原子间距离发生了一定的变化。由于反应物和产物都处在它们各自的能量极小值处，那么，从反应物到产物，原子间距无论如何变化，体系的能量都将高于反应物或产物的能量最小值。如下图所示

由图可见，从反应物变化到产物的过程中，体系的能量必定会高于反应物或产物的最小值，也就是说，反应物体系只有获得一定的能量才能够变化到产物，这个能量称为反应的活化能。换句话说，只有获得一定活化能的反应物分子体系才有可能发生化学反应，转变成产物体系。

正因为如此，从反应物体系转化到产物体系是需要时间的，不同的化学反应有不同的活化能。活化能越高，化学反应就越慢，活化能很低，化学反应就可能进行得很快。

应当指出的是，活化能的高低决定着化学反应的速度的快慢，但是，并不影响化学反应的能量变化。“翻越”活化能这座“山峰”需要能量但是并不耗费能量。就像不计空气阻力的话，向上扔一个球，到了最高点然后下落这个过程并不耗费能量，中间只有动能与势能的转换。决定化学反应能量变化的，即决定该反应是放能反应还是吸能反应以及放出或吸收多少能量的，是产物与反应物之间的能量差。

我们在地面上从甲地到乙地，可能有不止一条道路，可以有多种走法。与此类似，化学反应从反应物R到产物P也可以有不止一条路径。

比如，R可以直接变成P，我们称这一条途径为途径A。

反应物R也可以先与某一种物质C靠近，在C的作用下，R的构型变成中间物M，然后体系放出物质C，M构型变成产物P。这一条途径，我们称为途径B。如下图所示

在反应途径B中，物质C对体系产生了作用，但是，其自身并未起化学变化。途径B与途径A相比，不再需要“翻越”高度为“活化能A”的这座“高山”，而只需要“翻越”两座较矮的山头，其中较高的山头（活化能B），也远远比途径A的山头矮。

这样通过途径B的反应速度，也会比经由途径A的化学反应进行得快。换句话说，由于物质C的作用，加快了化学反应的速度，而物质C本身又没有什么变化，我们就把C称为这个化学反应的催化剂。

因此，催化剂只影响反应速率，一般地说是加快了速率，但是并不影响化学反应前后的能量变化。这个反应该放出（或吸收）多少能量还放出（或吸收）多少能量，而催化剂本身也没有发生多少变化。而催化剂之所以能够这样做，是因为它促使反应走了另外一条较为简易的途径。

由于催化剂的作用是影响化学反应体系经由另一条途径，所以，一般来说，不同的化学反应就需要不同的催化剂。这种专一性在生物体（当然包括我们人体）内的反应中表现得特别明显。我们体内的各种生物反应差不多都是在催化剂的作用下进行的，这种有机的催化剂一般称酶，几乎一种反应就有一种特别的酶。没有这些酶，我们体内的大多数生物反应将慢得几乎无法进行，我们就无法生存了。

由于各化学反应的催化剂不相同，所以，为化学反应寻找好的催化剂就是一件非常重要而艰难的工作。

许多工业反应的催化剂的主要成分是金属元素。有趣的是，经过亿万年自然选择而产生的生物催化剂，酶，大都也含有金属原子。所以我们的食品中也不能缺乏这些所谓的微量元素。