催化劑實驗室 · CatalystLab

換一條路走

表面催化循環

鏡頭拉近到鐵表面。一個 NH₃ 分子是這樣在表面上“組裝”出來的：

① 吸附：N₂ 落進表面的空位，H₂ 一落下就分成兩個 H 原子。② 解離：N≡N 在表面上斷開，變成兩個 N 原子——這是最慢的一步（速控步）。③ 加氫：H 原子在表面上跑動，一個一個加到 N 上：N → NH → NH₂ → NH₃。④ 脫附：NH₃ 離開表面，空位又能接下一個分子。

點“追蹤一個 N₂”，跟著它走完一圈。再調高壓強：撞上表面的分子更多，空位被佔滿，速率就不再跟著壓強漲了。

平衡不移動

兩個一模一樣的反應釜，同樣的溫度、壓強、原料，只有右邊鋪了鐵催化劑。看右邊的曲線：有催化劑的那一釜很快就到了平衡，沒有催化劑的慢得多——但兩條曲線最後停在同一條虛線上。

催化劑同等程度地加快正反應和逆反應，所以只縮短到達平衡的時間，不改變平衡時 NH₃ 的含量。

再看溫度：合成氨放熱，升溫讓平衡含量下降，速率卻上升。工業上選 400—500 °C，是在速率和產率之間折中，這也是鐵催化劑活性最好的溫度。

畫面裡沒有催化劑的釜只慢了十幾倍，是為了讓你看到它最終也到平衡；真實情況要慢 10¹² 倍以上，根本等不到。

選擇性

原料換成一氧化碳（黑紅雙原子）和氫氣。

在鎳表面上，CO 的三鍵被拉斷，C 和 O 分開各自加氫：C 變成甲烷 CH₄，O 變成水。

換成銅—氧化鋅（表面上那些藍灰色的小島是氧化鋅），CO 不斷開，整個分子一個 H 一個 H 地加上去，最後變成甲醇 CH₃OH。

同樣的反應物，換一種催化劑，走的路不同、產物也不同——這就是催化劑的選擇性。酶的“專一性”是選擇性的極端例子。

催化劑中毒

原料氣裡如果混有少量硫化氫（黃色），它一碰到鐵表面就分解，硫原子牢牢佔住空位，再也不離開。

被佔住的位點不能再吸附 N₂，能用的位點越來越少，NH₃ 的生成速率一路往下掉——這叫催化劑中毒。右邊的曲線裡，灰線是一塊同條件下的新催化劑，作對比。

把原料氣淨化之後，速率也回不去了：已經中毒的催化劑要換掉或再生。所以合成氨廠在原料氣進塔之前，一定先脫硫。

隨堂檢測