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自催化反应(Autocatalysis)
浏览量:434    点赞:419    发布时间:2020-08-01    点击: 537次

在化学反应中,能改变反应速率而本身的组成和质量在反应后保持不变的物质,称为催化剂。如果一个反应,它的反应产物能提高该反应速率,即反应产物能起催化作用,这个反应就被称为自催化反应(autocatalysis)。

假设有一个二级自催化反应A + B→ 2B
反应速率方程式为    R=k [A][B]A和B的浓度随时间变化为

自催化反应(Autocatalysis)

自催化反应(Autocatalysis)

典型的自催化反应等式图形是双弯曲函数(图一):反应起初进行地很慢,因为几乎没有催化剂存在。反应速率随着反应进行,产物增加同时催化剂量增加而反应速率加快,最后随着反应物浓度降低而反应速率减慢。

自催化反应(Autocatalysis)
 图一、自催化反应中产物浓度的双弯曲函数变化

例如:过锰酸钾(KMnO4)在酸性条件下的氧化反应(式一),其产物二价锰离子(Mn2+)正好是该反应的催化剂。开始时反应速率较慢,随着反应中产物二价锰离子的增加,反应速率将越来越快。所以,经常在反应开始时加入少量的二价锰离子以诱导反应发生。
5 Fe2+(aq) + MnO4-(aq)+8 H+(aq) →5 5 Fe2+(aq) + 2 Mn2+(aq)+ 4H2O(l)   (式一)

将稀释的过锰酸钾溶液分别倒入两杯草酸(H2C2O4)溶液中(图二A),其中右边的烧杯加入些许的硫酸亚锰,硫酸亚锰中的亚锰离子加速氧化还原的进行,使得过锰酸根较快速地转换成亚锰离子(图二B),另一烧杯初始并没有立即褪色,但随着扮演催化剂的产物亚锰离子的增加,自催化即发生,仍使过锰酸钾还原的速率越来越快(图二C)。

自催化反应(Autocatalysis)
 
图二A、将稀释的过锰酸钾溶液分别倒入两杯酸化的草酸溶液。

 自催化反应(Autocatalysis)

图二B、右边的烧杯加入些许的硫酸亚锰,硫酸亚锰中的亚锰离子加速氧化还原的进行。

自催化反应(Autocatalysis)

图二C、随着扮演催化剂的产物亚锰离子的增加,自催化即发生使左边的过锰酸钾还原的速率越来越快。

另一个自催化反应的例子为过锰酸钾与双氧水(H2O2)的氧化还原,产物亚锰离子一样具有催化过锰酸钾还原的效果。由表一中得知当双氧水的浓度≥2.5%,过锰酸根褪色的时间明显变长,乃是亚锰离子与双氧水产生错合物 Mn(H2O2)n2+,降低自催化的现象。而当双氧水浓度<1.25% 自由的亚锰离子便能进行自催化反应,反应速率显着变快(表一)。

表一、双氧水与0.04M过锰酸钾反应完全褪色所需时间

自催化反应(Autocatalysis)

 参考资料:
1. http://zh.wikipedia.org/zh-tw/自催化反应 (图一)
2. Jce online–Autocatalysis: Reaction of Permanganate with Oxalic Acid http://jchemed.chem.wisc.edu/JCE … N/AUTOCAT/PAGE1.HTM (图二)
3. 作者:苏裕仁、李劲宏、雷咏淳、王怡苹,指导老师:林秀蓁、庄丽纹,〈高中化学科展:氧生之道〉,台北县立三民高级中学。

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