可持续发展离不开催化剂，
身体健康也离不开催化剂，
催化剂无处不在！
戴 伟（David G. Evans）· 北京化工大学特聘教授、英国皇家化学会北京分会主席
格致论道第21期 | 2017年10月29日 北京
原来我准备跟大家讨论雷锋精神，但是后来我考虑中国人肯定比老外更懂雷锋，所以我不敢讲。最后我想，化学世界是不是有一类物质与雷锋精神相似？你相信吗？那就跟着我走进化学世界吧。 如果我们要吃一点东西，去快餐店都知道怎么做，先要交钱后得到汉堡包。如果你真的有雷锋精神，汉堡包应该给别人，恐怕现在大部分的人都自己吃了。
你在吃汉堡的时候，钱应该给谁？当然给老板的。你吃完了汉堡，这个钱是谁的？还应该是老板的。
但是在化学世界，有时候我们发现，吃完汉堡包，钱可以退给你，你还可以再花。不仅是花两次，一百次、一千次都可以花，大家说神奇不神奇？
你们肯定看过了《一千零一夜》吧，阿拉丁神灯很神奇，阿拉丁摩擦神灯会出现精灵。这就是阿拉丁神灯，漂亮不漂亮？
我也有个“戴伟神灯”，一点儿也不漂亮，比阿拉丁神灯差多了。如果我是阿拉丁，摸这个灯神会出来了。但是我要做化学实验，所以我把一种液体叫双氧水，也可以叫过氧化氢倒进瓶子里。
我不是阿拉丁，我不会做魔术，我摸这个瓶子神不会出来。但是如果要做一个化学反应，我要加另外一个物质，一个黑色的固体叫二氧化锰。如果你是一个好人，仔细看也许能看到神。懂化学的人知道，这不是神，这是化学反应。
化学的“化”是哪个“化”？是变化的“化”，所以化学家要学习变化。什么变化呢？就是物质变化，让一种物质分解变成新的物质，把两个物质放在一起，变成新的物质。
刚才我们有两种物质，双氧水在药店可以买到，有的人用双氧水消毒；也有二氧化锰，两个物质放在一起，会产生一个新的物质，就喷出来雾。
这个化学反应是，双氧水分解变成水和氧气。你看到氧气出来了吗？错，你看到的不是氧气，因为空气中有氧气，是看不见、摸不到的。大家看这个瓶子，瓶子已经开始缩小了，所以一部分的水变成水蒸气。你看到的是水蒸气，也有你看不到的氧气，所以这是一个典型的化学反应。
但是在瓶子中，它放出了氧气和水蒸气了吗？不能说没有化学反应，但是化学反应速度特别慢。但是加了二氧化锰以后，化学反应速度会变快多了。所以二氧化锰应该是一个催化剂，它会把反应速度变快。
我们在别的化学反应看看，有没有催化剂的作用。这里有两个液体，上过化学课的人应该知道，这种颜色的液体应该含有哪个金属离子呢？就是三价铁，另外一个是硫代硫酸钠。我把两个液体倒在一起，我们看有没有化学反应。
产生了新的棕色的三价铁和无色的硫代硫酸钠，深紫色的物质是新的物质，肯定是一个化学反应。但仔细地看，好像不只有一个化学反应，这个颜色是不是慢慢变了？它慢慢颜色变浅了。
实际上有两个化学反应，而且化学反应速度不一样。第一个非常快地产生深紫色物质；但是第二个化学反应速度非常慢，深紫色的物质慢慢变浅。
所以化学反应速度跟动物跑一样，有的动物比如猎豹跑得快，有的动物比如乌龟跑得慢。所以第一个化学反应跟猎豹速度一样，第二个化学反应跟乌龟速度一样，非常非常慢。
三价铁和无色的硫代硫酸钠会产生深紫色的物质，通过第二个慢速化学反应，最后会变成几乎无色的，现在还没有呈现，怎么把第二个化学反应的速度提高呢？
刚才我们看了，二氧化锰是一个催化剂，会把双氧水分解的化学速度变快。如果我们用另外一个催化剂，可不可以把三价铁和硫代硫酸钠总体的反应变快？
我的催化剂就在这儿，就是这个蓝色的液体。上过化学课的人应该能猜出来，蓝色的液体是什么？是硫酸铜，很普遍的化学试剂。我要加一点点的硫酸铜溶液，加5滴放在里面，再加三价铁和硫代硫酸钠，我们知道是先会变成紫色的。
我们加进去以后，它已经变成了紫色。并且它很快变浅了，所以催化剂真的把反应速度提高了很多。
我们的二价铜会做催化剂，二价铜会和硫代硫酸钠有化学反应，让催化剂变成一个中间体，这个中间体会和三价铁有反应，会产生我们的产物。但是最重要的是，到反应结束了，这个中间体恢复变成原来的催化剂。
催化剂可以循环，一个铜离子可以把很多铁离子参加化学反应，因为铜不需要加很多，所以我加的催化剂量很少。这几个液体的浓度都一样，我加了5滴，大概0.25毫升的催化剂，三价铁是100毫升，所以比例是400：1。一个铜离子会把400个三价铁离子变为产物，所以效率很高。
中间体是什么？就是一价铜。二价铜它会变成一价铜，但是最后一价铜恢复原来的催化剂，但是你把这所有的化学反应式加在一起，可以把催化剂、中间体删掉了，总体的反应就是原来的三价铁和硫代硫酸钠，变成二价铁和连四硫酸根。但是因为这个反应速度很快，所以总体的反应速度比没有催化剂快得多了。
因为每个化学反应需要先吸热，要有一个活化能，要把化学键断开。如果没有催化剂，活化能很高，吸热量大，所以化学反应速度很慢。
但是用催化剂呢？虽然这个红色的线很复杂，催化剂变成中间体，也许会变成几个中间体。大家看红色的线上，每个活化能要吸能量的量是非常少。所以用催化剂，虽然路很复杂，但是反应速度会变快。
要了解活化能力，可以想象以下，如果你要回家，路中间有一座高山，回家很费劲，需要很长时间。你拿一个推土机把山顶弄掉了，你回家速度变快了。这就是催化剂的作用，它把要吸收的能量降低了。
反应后的催化剂还在吗？ 但是催化剂没有任何变化，反应结束了，这个催化剂还在。看到里面蓝色的二价铜吗？看不到，为什么？因为水太多了，它已经稀释了。
你有权利说我不相信你，因为这是科学的态度，在日常生活中也需要有科学的态度。网上说你每天喝6杯咖啡能活到99岁，你不能盲目地相信，要问证据在哪儿？在实验室也一样，你也不能盲目地相信我，我说催化剂还在，你说不相信，需要证据验证这个催化剂真的在。怎么验证呢？
大家想一下，如果催化剂真的在，我把新的二价铁和硫代硫酸钠再加进去，它应该很快变成紫色的。如果催化剂还在，这个紫色的在很短时间变成无色的，如果我说的不对，它应该脱色非常慢。
我们继续做实验，看看催化剂还在不在？我们看到变成紫色的了，然后搅一搅，催化剂还在不在？现在你可以说相信我，催化剂真的在，所以在科学中，我们需要证据。
很多同学上化学课的时候会经常犯错，说催化剂不参加化学反应，这是不对的。因为刚才我们知道它是参加的，它会变成一个中间体，但是反应结束了，这个中间体恢复成原来的催化剂。 但是大家相信不相信，这个催化剂真的变成中间体，看到了这个中间体没有？没有。虽然有证据证明，催化剂反应结束以后还在，但是没有证据证明催化剂在中间变成另外一个物质了。
所以做另外一个反应，还是用刚才的双氧水。这次用三价铁做催化剂，看能不能促进双氧水跟刚才一样分解成水和氧气。
我把三价铁溶液倒进两个锥型瓶，现在两个液体的颜色是一样的。因为都是一个瓶子出来的，我是化学家不是魔法师。这个瓶子不动，另一个瓶子倒双氧水，现在看颜色都是一样的。把双氧水倒进去，颜色变黑了。
有氧气吗？不能说有氧气，科学的态度应该说有气体。为了验证它真的是氧气，我们要放一个带火星的木条进去，空气中有火星没有火，一进去会复燃，这是证据。三价铁就是一个很好的催化剂，它会把双氧水分解，变成水和氧气。
这个黑色的物质是什么呢？黑色的物质就是我说的中间体，双氧水跟三价铁发生化学反应，变成一个黑色的中间体，再加了双氧水跟黑色的中间体，发生我们的产物：水和氧气。
所以催化剂变成新的物质。如果我说的完全对，反应结束了，双氧水都分解了，不再放出氧气。这个黑色的物质应该不在了，它应该恢复变成原来的催化剂。但是如果我说的不对，如果黑色物质不是中间体，是一个正常的反应产物，反应结束了，黑色的物质还在。
为了验证我说的是不是正确的，我们也要验证这个中间体是否恢复成原来的催化剂。黑色的物质已经不在了，它已经恢复变成原来的催化剂，但是真的是原来的催化剂吗？
如果真的是原来的催化剂，再加双氧水，再会变成黑色的放出氧气。倒入双氧水验证，它还是原来的催化剂。所以现在我们知道，催化剂会变成中间体，但是反应结束了，催化剂会变成原来的催化剂。
所以我们说催化剂具有雷锋的精神，自己没有获得什么收益，刚开始它是催化剂，反应结束了它还是原来的催化剂，但是它帮助很多的双氧水分解变成水和氧气。它自己没有变化，但是它会促进双氧水分解，所以这就是化学的雷锋精神。
因为催化剂可以循环用，就像花了钱、退钱再花，而且刚才我们看到催化剂可以用一个铜离子，可以把很多的三价铁离子变成产物。
催化剂无处不在 因为污染很严重，以前很多工厂都是这样的。举个例子，化合物环氧丙烷很重要，因为它有很多用途，可以做刹车油、乳化剂，也可以做泡沫材料，很多汽车配件都是用这种物质做原料。
我承认以前化工厂产生环氧丙烷真的不好，会产生大量的污染。但是我们想一想，能不能让这种化工厂变成清洁化工厂？
从汽油里能得到丙烯，丙烯怎么变成环氧丙烷呢？需要加一个氧，氧是从双氧水出来的，双氧水把一个氧给丙烯，副产物双氧水变成了水，但是水不会创造污染。
所以利用双氧水做氧化剂，可以让原来污染的化工厂变成清洁化工厂。但是有个问题，双氧水和丙烯反应速度非常慢或者没有反应，怎么提高反应速度呢？
我们知道还要加催化，有一个钛硅分子筛催化剂。但是如果很多化工厂利用双氧水做清洁氧化剂，把原来污染生产线变成清洁生产线，那怎么生产双氧水呢？
有一个有机化合物，叫蒽醌，它在空气中被氧化了变成双氧水。这个有机化合物要循环用，不循环用是不环保的，要加氢成本太高。有机化合物和氢气反应速度非常慢，怎么把反应速度提高？加催化剂，一个很好的加氢催化剂就是钯Pd，我们可以把钯作为催化剂。
钯为什么会促进氢气反应呢？因为氢和氢的化学键很强，让它参加化学反应，活化能很高，需要吸收大量的能量。但是把氢气分子吸收在金属钯的表面，它会分开变成氢原子，现在这个氢原子的反应速度很快，所以我们可以用一个含钯的催化剂。
这个瓶子中有氢气和氧气，它们有化学反应吗？没有。如果加了含钯的催化剂，我们看能不能把反应速度提高。把一些含钯的催化剂加进这里，我把瓶子打开以后，把催化剂加进去。加了催化剂以后反应速度快多了。为什么？刚才说是因为氢气的分子会变成氢原子，这是用的金属钯分散在活性炭上。
有实验证据可以用一个扫描隧道显微镜，能看到这个黑点就是氢原子在金属钯的表面，结构模型就是这样一个六方体。
现在我们可以利用金属钯做催化剂生产双氧水，在生产双氧水的过程中需要加氢，要利用金属钯。但是不能有一大块钯，第一是成本太高；第二是作废了，因为外面的钯原子可以用，里面就浪费了，必须要把金属钯分散在一个载体。
这几年北京化工大学在化工资源有效利用国家重点实验室，老师们和同学们正在努力发明一个新的催化剂——球形Pd/Al2O3催化剂，为了专门生产双氧水，把金属钯分散不在活性炭上，在球状的氧化铝上。
如图，这是催化剂、生产催化剂的小工厂，以及利用催化剂生产双氧水的大工厂。现在很多化工厂开始利用我们的催化剂生产双氧水，他们的评价很高：“你的催化剂比别人的催化剂好多了，活性高，而且寿命长。”别人的催化剂一年以后就没有活性了，我们的催化剂，两年、三年以后还是有高活性，所以他们非常满意。
虽然别人的评价对我们很好，但是我们不满意，老师们和同学们还要努力看能否发明更好的催化剂。所以在这里，希望大家也要努力学习化学，也要加入国家重点实验室，跟我们一起发明更好的催化剂好不好？
很多朋友会说：“催化剂跟我的生活一点儿关系都没有”，其实是错误的。刚才我们看到了，催化剂对社会有贡献，如果很多化工厂利用我们的催化剂产生大量的双氧水，把双氧水卖给另外一个化工厂，他们用双氧水把原来的创造污染的生产线变成清洁生产线，通过这个过程对中国的环保有所贡献，然而不只是这一个例子。
大家都知道汽车尾气会创造污染，如果你的汽车没有催化转换器，里面有很多贵金属，比钯还贵，汽车尾气的污染更厉害，但是这不是化学家发明的最重要的催化剂。
最重要的催化剂不是贵金属就是铁，铁会把氢气和空气中的氮气变成合成氨，合成氨会变成化肥、氮肥。有人说我不要化肥，我要吃绿色食品。但如果全球70多亿人都说，我想吃绿色食品，粮食不够，那么30多亿人会饿死了，所以催化剂很重要。
我们有化学家发明的催化剂，也有天然的催化剂，发酵做酸奶、酒、醋等等都是用生物催化剂，就是生物酶。每个人身体里有N个化学反应，比如呼吸氧气，通过一系列的反应，一部分的氧气变成二氧化碳。
人体中的化学反应速度也需要控制，如果控制不好，身体肯定不好。怎么控制呢？就是利用生物酶——每个人身体里都有生物催化剂、生物酶来控制你的反应速度，所以身体健康也需要催化剂。
可持续发展离不开催化剂，身体健康也离不开催化剂，所以跟大家说最后一句，催化剂无处不在！谢谢大家！
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