催化剂实验室 · CatalystLab

换一条路走

表面催化循环

镜头拉近到铁表面。一个 NH₃ 分子是这样在表面上“组装”出来的：

① 吸附：N₂ 落进表面的空位，H₂ 一落下就分成两个 H 原子。② 解离：N≡N 在表面上断开，变成两个 N 原子——这是最慢的一步（速控步）。③ 加氢：H 原子在表面上跑动，一个一个加到 N 上：N → NH → NH₂ → NH₃。④ 脱附：NH₃ 离开表面，空位又能接下一个分子。

点“追踪一个 N₂”，跟着它走完一圈。再调高压强：撞上表面的分子更多，空位被占满，速率就不再跟着压强涨了。

平衡不移动

两个一模一样的反应釜，同样的温度、压强、原料，只有右边铺了铁催化剂。看右边的曲线：有催化剂的那一釜很快就到了平衡，没有催化剂的慢得多——但两条曲线最后停在同一条虚线上。

催化剂同等程度地加快正反应和逆反应，所以只缩短到达平衡的时间，不改变平衡时 NH₃ 的含量。

再看温度：合成氨放热，升温让平衡含量下降，速率却上升。工业上选 400—500 °C，是在速率和产率之间折中，这也是铁催化剂活性最好的温度。

画面里没有催化剂的釜只慢了十几倍，是为了让你看到它最终也到平衡；真实情况要慢 10¹² 倍以上，根本等不到。

选择性

原料换成一氧化碳（黑红双原子）和氢气。

在镍表面上，CO 的三键被拉断，C 和 O 分开各自加氢：C 变成甲烷 CH₄，O 变成水。

换成铜—氧化锌（表面上那些蓝灰色的小岛是氧化锌），CO 不断开，整个分子一个 H 一个 H 地加上去，最后变成甲醇 CH₃OH。

同样的反应物，换一种催化剂，走的路不同、产物也不同——这就是催化剂的选择性。酶的“专一性”是选择性的极端例子。

催化剂中毒

原料气里如果混有少量硫化氢（黄色），它一碰到铁表面就分解，硫原子牢牢占住空位，再也不离开。

被占住的位点不能再吸附 N₂，能用的位点越来越少，NH₃ 的生成速率一路往下掉——这叫催化剂中毒。右边的曲线里，灰线是一块同条件下的新催化剂，作对比。

把原料气净化之后，速率也回不去了：已经中毒的催化剂要换掉或再生。所以合成氨厂在原料气进塔之前，一定先脱硫。

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