催化与温度依赖性

反应速率随温度急剧升高，这可以通过阿伦尼乌斯方程来描述；催化剂通过提供具有较低活化能垒的替代途径来加速反应。

Definition

催化是指通过提供较低能量途径并自身再生不变的物质来加速反应，而温度依赖性是指速率常数、活化能和温度之间的阿伦尼乌斯关系。

Scope

本主题涵盖了通过阿伦尼乌斯方程描述的速率常数的温度依赖性、活化能和指前因子，以及通过碰撞理论和过渡态理论对其进行的分子解释。它涵盖了催化动力学：催化剂如何在不被消耗的情况下降低活化能垒、均相和非均相催化、朗缪尔-欣谢尔伍德和埃利-里德尔表面机制，以及通过米氏方程进行的酶催化。活化络合物的详细理论和潜在的速率定律在相关主题中讨论。

Core questions

• 阿伦尼乌斯方程如何将速率常数与温度和活化能联系起来？
• 催化剂如何在不被消耗或不改变平衡的情况下提高反应速率？
• 朗缪尔-欣谢尔伍德和埃利-里德尔机制如何描述表面催化？
• 米氏方程如何解释酶动力学和饱和现象？

Key concepts

• 阿伦尼乌斯方程和指前因子
• 活化能
• 均相和非均相催化
• 朗缪尔-欣谢尔伍德和埃利-里德尔机制
• 米氏酶动力学

Key theories

阿伦尼乌斯方程

速率常数呈指数依赖于活化能与热能的负比，因此速率常数对温度倒数的对数图的斜率可得出活化能。

米氏酶动力学

酶在快速预平衡中结合底物形成复合物，该复合物转化为产物，从而使速率随底物浓度升高而升高，并在最大速度下饱和，其特征是米氏常数。

Clinical relevance

这些概念是工业非均相催化（如氨合成和催化转化器）、化学过程和储存材料的温度控制和稳定性，以及酶的定量分析的基础，使催化成为生物化学和药物作用的核心。

History

贝采利乌斯于1835年命名了催化；阿伦尼乌斯于1889年提出了速率的温度定律，20世纪早期出现了朗缪尔的表面动力学和1913年米氏方程对酶的处理，将催化确立为动力学的一个定量分支。

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

催化剂在反应中会被消耗掉吗？

不会。催化剂参与反应机制，但在催化循环结束时会再生，因此原则上少量催化剂可以转化大量反应物，尽管实际催化剂会随着时间的推移而降解或中毒。

为什么温度升高通常会如此显著地加速反应？

具有足够能量跨越活化能垒的分子分数随温度呈指数增长，因此即使适度的温度升高也能使速率倍增，这就是为什么许多反应每升高十度速率大约翻倍的原因。