催化劑是什麼？
催化劑用來加速反應，能夠在自身不消耗的情況下提供另一個活化能較低的反應途徑而加速反應。
催化劑的重點
- 催化劑在反應過程中不會被消耗
影片 01:43 提到，想要加速化學反應則需要付出犧牲，提出了檸檬酸加小蘇打產生二氧化碳這個實驗，為了加速則加入更多的小蘇打。
加入的小蘇打可以使產生二氧化碳的速度變快，但最後小蘇打都被消耗掉了。
影片 03:06 提到，雙氧水分解產生氧氣的過程，若添加二氧化錳，可以使反應明顯加速，且加入的二氧化錳完全沒有被消耗掉。
影片 03:39 提到，一般情況下加速化學反應會需要消耗掉某些物質，例如加入更多的小蘇打粉都被消耗掉了，但雙氧水的分解中二氧化錳卻沒有被消耗，讓貝吉里斯產生很大的疑惑。 - 催化劑在反應中可以加速反應
影片 06:20 提到，反應可以透過激發的方式來加速，在雙氧水分解的過程中，二氧化錳主要是激發氧氣和水分開的衝動，所以能在不被消耗的情況下加速反應，貝吉里斯把激發反應加速的力量稱為催化力；而用來加速反應的物質就稱為催化劑。
- 催化劑的功能是改變化學途徑提升反應速率
影片 09:44 提到，化學反應就像 A 點走到 B 點的過程，催化劑能夠改變化學路徑，用更輕鬆的方式走完化學反應，催化劑是一個實際參與反應過程的物質並且能提升反應速率。
你所不知道的催化劑
貝吉里斯認為這些在反應過程中沒有被消耗的物質，並沒有參與反應，但能激發反應物本身的結合能力，使反應速率加快，所以像是鉑被加入酒精氧化的反應，鉑就不會參與酒精氧化成酸的反應過程，而是用激發酒精和氧氣結合的能力，加快酒精和氧氣形成酸的反應速率，因此在反應後，鉑才沒有發生改變。
影片 06:00 中，貝吉里斯依照自己的假設，將反應中沒有被消耗的物質定義為「催化劑」，而這些催化劑雖然不參與反應，但是可以在反應中激發其他反應物的結合力，影響反應的速率，於是他將催化劑擁有的激發能力稱為「催化力」，而在這種作用力的影響下被加快進行的反應叫「催化反應」。1836 年，貝吉里斯在《物理與化學年鑑》中寫道： 「在化學反應中，產物是通過幾種物質的結合作用，為達到更好的穩定狀態而產生，但這些催化劑可以通過催化力的運作，催化物質的結合力，加速物質發生反應，使反應速率變快，而自己本身不必參與該過程，這與普通的結合力完全不同，雖然其性質仍然未知，卻是化學界中一種新的力量。」
催化劑影片重點
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作者：李宜臻
化學反應中的催化劑
19 世紀初期，科學界認為在化學反應中添加特定物質，會使反應速度變快，而被添加的這個物質會與其他物質反應，在反應過程中被消耗，形成其他產物，就像鐵在有水和空氣的情形下，會慢慢生鏽，但若將鐵沾上鹽水，鹽會跟鐵產生反應，鹽在反應中被消耗，鐵也會更快生鏽。
貝吉里斯：從自學到成為化學巨匠
永斯·雅各布·貝吉里斯 (Jöns Jacob Berzelius，1779-1848，文中簡稱貝吉里斯) 出生於瑞典東南方的一個小鎮 Väversunda，貝吉里斯的父母早逝，他沒有機會在父母的溫暖陪伴與教導下成長，半工半讀來養活自己，為了給來自不同國家的移民小孩上家教課，貝吉里斯開始自學法語、德語和英語，由於有了這樣的自學經歷，所以這些語言方面的知識在他後來研究各國學術著作起了很大的作用，而艱辛的長大過程培養了貝吉里斯不輕易放棄的特質，即使環境再怎麼惡劣也會咬緊牙關撐過去。
圖｜永斯·雅各布·貝吉里斯 (Jöns Jacob Berzelius)
貝吉里斯唸書時，相當著迷於瑞典生物學家林奈的書，有空的時候他會收集花草、昆蟲或是鳥類來觀察。出於對生物的熱愛，貝吉里斯中學畢業後，進入烏普薩拉大學學習醫學。然而大學時期，有次化學考試，他的成績在是全班墊底，不甘於人後的貝吉里斯，自此之後除了主要的醫學課程外，也開始研讀德國化學家 Girtanners 的《反燃素化學基礎原理》，貝吉里斯就是在研讀了這本書後，對化學的興趣越來越濃厚。
圖｜Girtanners《反燃素化學基礎原理》
之後，貝吉里斯常常趁化學老師不在的時候，偷溜進實驗室操作實驗，雖然後來被老師發現，但老師並沒有責怪他，反而還讓貝吉里斯參與更多化學實驗，因此貝吉里斯獲得的化學新知識也就越來越多。1802 年剛獲得博士學位的貝吉里斯移居斯德哥爾摩，明知生活不容易，他還是決定從事學術工作，成為醫學外科學院的無薪教師，依靠父母親遺留的小筆遺產度日，幸運地是他遇到了生命中的貴人，超級有錢的希辛格 (Wilhelm von Hisinger) 。
希辛格出生於瑞典，家境相當優渥，對於自然科學有極大的熱情，也致力投入化學研究。希辛格從貝吉里斯先前發表的論文中，十分欣賞他的化學分析能力，因此打造幾間研究室來讓貝吉里斯做化學研究使用。兩人的出身、家境大不相同，但是都對科學研究都有相當高的熱情。
圖｜Wilhelm von Hisinger
貝吉里斯雖然生活貧苦，但他持續在學術研究上耕耘，在 1806 年他成為斯德哥爾摩大學的化學教授，為了可以讓學生更清楚化學反應的發生與原理，他增加實驗課的次數，將直觀的化學現象帶到學生面前，因此，貝吉里斯的化學課成為極受歡迎的課堂。同年，他開始著手編寫化學教科書。貝吉里斯的學術研究能力深受科學界的肯定，在科學界與教育界貢獻巨大， 在 1808 年獲選為瑞典研究院的成員，並在 10 年之後被冊封為貴族。
圖｜貝吉里斯的化學教科書中，一張描繪各種實驗器材的圖片
1821 年，貝吉里斯開始與希辛格著手出版《物理與化學年鑑》，直到貝吉里斯逝世前，年報一共出版 27 期，那些年報是 19 世紀上半期有關化學、物理、礦物學方面最具權威性的文摘性刊物，貝吉里斯藉由年報的出刊，結合了各國科學家的力量，促進科學事業的發展，不但將已做過的科學原理和現象進行總結，也可以針對某個新的議題進行研究。
貝吉里斯的困惑
1834 年，貝吉里斯為了編寫《物理與化學年鑑》，正著手整理年度科學重要記事，整理過程中，他發現在許多化學研究中，有一些“奇怪”的反應現象一直無法被解釋：在 1811 年，基爾霍夫發現了澱粉加入稀酸溶液後，能加快澱粉水解的速度；
1818 年，泰納德觀察到了過氧化氫水溶液遇到二氧化錳就會快速產生水和氧氣的現象，而反應後，二氧化錳並沒有發生任何變化。
圖｜過氧化氫水溶液加二氧化錳的反應
戴維在 1820 年發現了細碎的鉑能使酒精快速氧化成醋酸，但它自身不起任何變化，戴維更藉此發明出無火酒精燈，在當時的歐洲刮起一陣風潮。
圖｜戴維的無火酒精燈示意圖
到了 1830 年代，這些無法被解釋的奇怪反應現象已經積累了相當多的資料，而貝吉里斯就在試圖解釋這些「奇怪」的反應現象時，他發現這些奇怪的化學現象，反應過程雖然看似不同，但都有一個共同點，就是反應都被加快了，但反應結束後，有物質沒有發生質量和性質的改變，就以戴維的酒精氧化反應為例，原本酒精放在空氣中就會和氧氣發生反應慢慢變成酸，但加入了細碎鉑之後，酒精和氧氣反應產生酸的速度變得超快，而反應結束後，鉑並沒有發生變化。
圖｜細碎鉑加入酒精氧化反應示意圖
這些奇怪反應的共通點讓貝吉里斯十分困惑，因為根據化學反應的運作原理，加入特定物質後能加速反應，但這個物質也會在反應過程中被消耗掉，所以如果是戴維的酒精氧化反應，加入鉑之後，讓反應變快後，鉑在反應中應該會被消耗掉，但現在鉑的加入讓反應變快了，但鉑在反應過程中並沒有被消耗......。
催化劑：物質影響反應速率的新解釋
某天下課期間，貝吉里斯在教室批改學生的化學作業，看到學生的化學作業本上挾著糖果紙，聯想到家長想讓自己的小孩完成作業，不一定要花自己的時間陪伴小孩一起寫作業，也能透過給糖果的獎勵方式，激起小孩完成作業的動力，讓小孩更快完成作業，這代表物質影響反應的速率不一定是參與反應，可能是透過激發反應物本身的結合能力，使反應速率變快。
基於上述的想像，貝吉里斯認為這些在反應過程中沒有被消耗的物質，並沒有參與反應，但能激發反應物本身的結合能力，使反應速率加快，所以像是鉑被加入酒精氧化的反應，鉑就不會參與酒精氧化成酸的反應過程，而是用激發酒精和氧氣結合的能力，加快酒精和氧氣形成酸的反應速率，因此在反應後，鉑才沒有發生改變。
圖｜鉑加入酒精氧化反應機制圖
這樣大膽的假設與科學界認為的化學反應運作模式不同，但卻能解釋這些「奇怪」的反應現象。
催化劑的發現：貝吉里斯對化學反應的貢獻
貝吉里斯依照自己的假設，將反應中沒有被消耗的物質定義為「催化劑」，而這些催化劑雖然不參與反應，但是可以在反應中激發其他反應物的結合力，影響反應的速率，於是他將催化劑擁有的激發能力稱為「催化力」，而在這種作用力的影響下被加快進行的反應叫「催化反應」。1836 年，貝吉里斯在《物理與化學年鑑》中寫道： 「在化學反應中，產物是通過幾種物質的結合作用，為達到更好的穩定狀態而產生，但這些催化劑可以通過催化力的運作，催化物質的結合力，加速物質發生反應，使反應速率變快，而自己本身不必參與該過程，這與普通的結合力完全不同，雖然其性質仍然未知，卻是化學界中一種新的力量。」
催化劑的延伸課題
貝吉里斯提出的催化概念受到了化學家們激烈的爭論和攻擊，他們認為這一理論主要還是貝吉里斯的假設，一旦把它引入化學研究中，勢必會產生新的研究障礙，但這個突破的概念也讓當時的科學家紛紛加以探索。在 1836 年法國拉圖爾發現糖可以發酵成乙醇和二氧化碳，是因為一種微生物酵母菌的作用，同樣對生物學專精的貝吉里斯這時指出：發酵與鉑粉所引起的作用相似，在生物體中存在的物質、植物汁液或血液等無數種化合物，可能是由類似催化劑的某些有機體促成的，也就是說在活的植物和動物的身體裡，無時無刻都在進行著催化過程。到 1878 年德國生理學家居內把這類有機催化劑稱為「酶」或「酵素」。
1887 ~ 1889 年間阿瑞尼士在研究溫度與反應速率的關係時，發現一個反應的發生會與溫度有關，在沒有達到反應溫度時，反應是很難發生的，於是阿瑞尼士提出「一個化學反應的發生需要克服的能量障礙」的論述，他將這個需要被克服的能量障礙稱為「反應活化能」，當反應活化能越高，反應就越難進行，就像要在山路上推一個球，山越高，在上坡路段就越辛苦。
圖｜翻山頭示意圖
1891 年，G. Merling在一個有機化學反應中，發現反應過程中產生一個他無法解釋的物質，結構非常不穩定，而且在反應結束後，沒有出現在最後的產物當中......這個不穩定的物質就像一個過客，不會停留到最後，所以他猜測這只是複雜的有機化學反應過程中，會出現的莫名不穩定物質。這個反應中出現的不穩定物質直到 1899 年由 Julius Stieglitz 正式定義為在許多有機反應中出現的中間產物。
在 Julius Stieglitz 正式發表中間產物的存在前，弗里德里希·威廉·奧斯特瓦爾德 (Friedrich Wilhelm Ostwald) 基於阿瑞尼士的活化能理論重新定義催化劑在反應過程中的運作：「催化劑本質可以加快反應的速率，是因為催化劑和反應物反應所需要的能量比原本反應物發生反應的能量來得低，所以催化劑和反應物會形成不穩定的物質，所以很快又在反應結束後消失，因此催化劑並不會提供催化力，催化劑並不是反應發生的誘發者，催化劑實際上有參與反應的進行。」奧斯特瓦爾德的理論用簡單的比喻來說就是，當反應中有了催化劑，就可以走一條更快更省力的路到達反應結束的終點，這一定義被當時的化學界普遍接受。在 1895 年他正式發表了《催化過程的本質》，對催化劑在化學反應中的運作做了完整的解釋。
圖｜催化劑運作示意圖
在 20 世紀，催化的理論知識迅速應用於工業化學項目，帶來龐大的利益。像是合成氨工業，當時人們了解到氮肥的施用可以使農作物大量增產，而氨是氮肥的主要來源之一，在天然氮肥缺乏的情形下，很多化學家開始研究人工合成氨的化學反應，1903 年，德國科學家弗瑞慈哈伯和卡爾博世在高溫高壓的條件下，使用使用金屬催化劑，將氫氣 (H2) 和大氣中的氮 (N2) 轉化為氨 (NH3)，1908 年，弗瑞慈哈伯與巴斯夫公司達成協議，將這項技術引入工業製程，想為氮肥提供穩定的原料來源；但事實上在第二次世界大戰之前，多數工廠用哈柏法製造出來的氨，幾乎都拿去做成炸藥，變成殺人武器，這也間接造成了哈柏個人的悲慘人生，而這又是另一個漫長又唏噓的故事了。
圖｜弗瑞慈·哈伯
圖｜卡爾·博施
參考資料
書目
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- Levere, Trevor H. Transforming Matter: A History of Chemistry from Alchemy to the Buckyball. JHU Press. 2001. ISBN 9780801866104.
期刊
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網頁
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