戴偉：化學“雷鋒” 來自中科院物理所 00:00 29:47

戴偉 David G. Evans

北京化工大學特聘教授

英國皇家化學會北京分會主席

以下內(nèi)容為戴偉（David G. Evans）演講實錄：

原來我準備跟大家討論雷鋒精神，但是后來我考慮中國人肯定比老外更懂雷鋒，所以我不敢講。最后我想，化學世界是不是有一類物質(zhì)與雷鋒精神相似？你相信嗎？那就跟著我走進化學世界吧。

如果我們要吃一點東西，去快餐店都知道怎么做，先要交錢后得到漢堡包。如果你真的有雷鋒精神，漢堡包應(yīng)該給別人，恐怕現(xiàn)在大部分的人都自己吃了。你在吃漢堡的時候，錢應(yīng)該給誰？當然給老板的。你吃完了漢堡，這個錢是誰的？還應(yīng)該是老板的。

但是在化學世界，有時候我們發(fā)現(xiàn)，吃完漢堡包，錢可以退給你，你還可以再花。不僅是花兩次，一百次、一千次都可以花，大家說神奇不神奇？

你們肯定看過了《一千零一夜》吧，阿拉丁神燈很神奇，阿拉丁摩擦神燈會出現(xiàn)精靈。這就是阿拉丁神燈，漂亮不漂亮？

我也有個“戴偉神燈”，一點兒也不漂亮，比阿拉丁神燈差多了。如果我是阿拉丁，摸這個燈神會出來了。但是我要做化學實驗，所以我把一種液體叫雙氧水，也可以叫過氧化氫倒進瓶子里。

我不是阿拉丁，我不會做魔術(shù)，我摸這個瓶子神不會出來。但是如果要做一個化學反應(yīng)，我要加另外一個物質(zhì)，一個黑色的固體叫二氧化錳。如果你是一個好人，仔細看也許能看到神。懂化學的人知道，這不是神，這是化學反應(yīng)。

化學的“化”是哪個“化”？是變化的“化”，所以化學家要學習變化。什么變化呢？就是物質(zhì)變化，讓一種物質(zhì)分解變成新的物質(zhì)，把兩個物質(zhì)放在一起，變成新的物質(zhì)。

剛才我們有兩種物質(zhì)，雙氧水在藥店可以買到，有的人用雙氧水消毒；也有二氧化錳，兩個物質(zhì)放在一起，會產(chǎn)生一個新的物質(zhì)，就噴出來霧。

這個化學反應(yīng)是雙氧水H2O2，分解變成水和氧氣。你看到氧氣出來了嗎？錯，你看到的不是氧氣，因為空氣中有氧氣，是看不見、摸不到的。大家看這個瓶子，瓶子已經(jīng)開始縮小了，所以一部分的水變成水蒸氣。你看到的是水蒸氣，也有你看不到的氧氣，所以這是一個典型的化學反應(yīng)。

但是在瓶子中，它放出了氧氣和水蒸氣了嗎？不能說沒有化學反應(yīng)，但是化學反應(yīng)速度特別慢。但是加了二氧化錳以后，化學反應(yīng)速度會變快多了。所以二氧化錳應(yīng)該是一個催化劑，它會把反應(yīng)速度變快。

我們在別的化學反應(yīng)看看，有沒有催化劑的作用。這里有兩個液體，上過化學課的人應(yīng)該知道，這種顏色的液體應(yīng)該含有哪個金屬離子呢？就是三價鐵，另外一個是硫代硫酸鈉。我把兩個液體倒在一起，我們看有沒有化學反應(yīng)。

產(chǎn)生了新的棕色的三價鐵和無色的硫代硫酸鈉，深紫色的物質(zhì)是新的物質(zhì)，肯定是一個化學反應(yīng)。但仔細地看，好像不只有一個化學反應(yīng)，這個顏色是不是慢慢變了？它慢慢顏色變淺了。

實際上有兩個化學反應(yīng)，而且化學反應(yīng)速度不一樣。第一個非?？斓禺a(chǎn)生深紫色物質(zhì)；但是第二個化學反應(yīng)速度非常慢，深紫色的物質(zhì)慢慢變淺。

所以化學反應(yīng)速度跟動物跑一樣，有的動物比如獵豹跑得快，有的動物比如烏龜跑得慢。所以第一個化學反應(yīng)跟獵豹速度一樣，第二個化學反應(yīng)跟烏龜速度一樣，非常非常慢。

三價鐵和無色的硫代硫酸鈉會產(chǎn)生深紫色的物質(zhì)，通過第二個慢速化學反應(yīng)，最后會變成幾乎無色的，現(xiàn)在還沒有呈現(xiàn)，怎么把第二個化學反應(yīng)的速度提高呢？

剛才我們看了，二氧化錳是一個催化劑，會把雙氧水分解的化學速度變快。如果我們用另外一個催化劑，可不可以把三價鐵和硫代硫酸鈉總體的反應(yīng)變快？

我的催化劑就在這兒，就是這個藍色的液體。上過化學課的人應(yīng)該能猜出來，藍色的液體是什么？是硫酸銅，很普遍的化學試劑。我要加一點點的硫酸銅溶液，加5滴放在里面，再加三價鐵和硫代硫酸鈉，我們知道是先會變成紫色的。我們加進去以后，它已經(jīng)變成了紫色。并且它很快變淺了，所以催化劑真的把反應(yīng)速度提高了很多。

我們的二價銅會做催化劑，二價銅會和硫代硫酸鈉有化學反應(yīng)，讓催化劑變成一個中間體，這個中間體會和三價鐵有反應(yīng)，會產(chǎn)生我們的產(chǎn)物。但是最重要的是，到反應(yīng)結(jié)束了，這個中間體恢復變成原來的催化劑。

催化劑可以循環(huán)，一個銅離子可以把很多鐵離子參加化學反應(yīng)，因為銅不需要加很多，催化劑可以循環(huán)，所以我加的催化劑量很少。這幾個液體的濃度都一樣，我加了5滴，大概0.25毫升的催化劑，三價鐵是100毫升，所以比例是400：1。一個銅離子會把400個三價鐵離子變?yōu)楫a(chǎn)物，所以效率很高。

中間體是什么？就是一價銅。二價銅它會變成一價銅，但是最后一價銅恢復原來的催化劑，但是你把這所有的化學反應(yīng)式加在一起，可以把催化劑、中間體刪掉了，總體的反應(yīng)就是原來的三價鐵和硫代硫酸鈉，變成二價鐵和連四硫酸根。但是因為這個反應(yīng)速度很快，所以總體的反應(yīng)速度比沒有催化劑快得多了。

因為每個化學反應(yīng)需要先吸熱，要有一個活化能，要把化學鍵斷開。如果沒有催化劑，活化能很高，吸熱量大，所以化學反應(yīng)速度很慢。

但是用催化劑呢？雖然這個紅色的線很復雜，催化劑變成中間體，也許會變成幾個中間體。大家看紅色的線上，每個活化能要吸能量的量是非常少。所以用催化劑，雖然路很復雜，但是反應(yīng)速度會變快。

要了解活化能力，可以想象以下，如果你要回家，路中間有一座高山，回家很費勁，需要很長時間。你拿一個推土機把山頂弄掉了，你回家速度變快了。這就是催化劑的作用，它把要吸收的能量降低了。            

但是催化劑沒有任何變化，反應(yīng)結(jié)束了，這個催化劑還在。看到里面藍色的二價銅嗎？看不到，為什么？因為水太多了，它已經(jīng)稀釋了。

你有權(quán)利說我不相信你，因為這是科學的態(tài)度，在日常生活中也需要有科學的態(tài)度。網(wǎng)上說你每天喝6杯咖啡能活到99歲，你不能盲目地相信，要問證據(jù)在哪兒？在實驗室也一樣，你也不能盲目地相信我，我說催化劑還在，你說不相信，需要證據(jù)驗證這個催化劑真的在。怎么驗證呢？

大家想一下，如果催化劑真的在，我把新的二價鐵和硫代硫酸鈉再加進去，它應(yīng)該很快變成紫色的。如果催化劑還在，這個紫色的在很短時間變成無色的，如果我說的不對，它應(yīng)該脫色非常慢。

我們繼續(xù)做實驗，看看催化劑還在不在？我們看到變成紫色的了，然后攪一攪，催化劑還在不在？現(xiàn)在你可以說相信我，催化劑真的在，所以在科學中，我們需要證據(jù)。

很多同學上化學課的時候會經(jīng)常犯錯，說催化劑不參加化學反應(yīng)，這是不對的。因為剛才我們知道它是參加的，它會變成一個中間體，但是反應(yīng)結(jié)束了，這個中間體恢復成原來的催化劑。

但是大家相信不相信，這個催化劑真的變成中間體，看到了這個中間體沒有？沒有。雖然有證據(jù)證明，催化劑反應(yīng)結(jié)束以后還在，但是沒有證據(jù)證明催化劑在中間變成另外一個物質(zhì)了。

所以做另外一個反應(yīng)，還是用剛才的雙氧水。這次用三價鐵做催化劑，看能不能促進雙氧水跟剛才一樣分解成水和氧氣。我把三價鐵溶液倒進兩個錐型瓶，現(xiàn)在兩個液體的顏色是一樣的。因為都是一個瓶子出來的，我是化學家不是魔法師。這個瓶子不動，另一個瓶子倒雙氧水，現(xiàn)在看顏色都是一樣的。把雙氧水倒進去，顏色變黑了。

有氧氣嗎？不能說有氧氣，科學的態(tài)度應(yīng)該說有氣體。為了驗證它真的是氧氣，我們要放一個帶火星的木條進去，空氣中有火星沒有火，一進去會復燃，這是證據(jù)。三價鐵就是一個很好的催化劑，它會把雙氧水分解，變成水和氧氣。

這個黑色的物質(zhì)是什么呢？黑色的物質(zhì)就是我說的中間體，雙氧水跟三價鐵發(fā)生化學反應(yīng)，變成一個黑色的中間體，再加了雙氧水跟黑色的中間體，發(fā)生我們的產(chǎn)物：水和氧氣。

所以催化劑變成新的物質(zhì)。如果我說的完全對，反應(yīng)結(jié)束了，雙氧水都分解了，不再放出氧氣。這個黑色的物質(zhì)應(yīng)該不在了，它應(yīng)該恢復變成原來的催化劑。但是如果我說的不對，如果黑色物質(zhì)不是中間體，是一個正常的反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)結(jié)束了，黑色的物質(zhì)還在，

為了驗證我說的是不是正確的，我們也要驗證這個中間體是否恢復成原來的催化劑。黑色的物質(zhì)已經(jīng)不在了，它已經(jīng)恢復變成原來的催化劑，但是真的是原來的催化劑嗎？

如果真的是原來的催化劑，再加雙氧水，再會變成黑色的放出氧氣。倒入雙氧水驗證，它還是原來的催化劑。所以現(xiàn)在我們知道，催化劑會變成中間體，但是反應(yīng)結(jié)束了，催化劑會變成原來的催化劑。

所以我們說催化劑具有雷鋒的精神，自己沒有獲得什么收益，剛開始它是催化劑，反應(yīng)結(jié)束了它還是原來的催化劑，但是它幫助很多的雙氧水分解變成水和氧氣。它自己沒有變化，但是它會促進雙氧水分解，所以這就是化學的雷鋒精神。

因為催化劑可以循環(huán)用，就像花了錢、退錢再花，而且剛才我們看到催化劑可以用一個銅離子，可以把很多的三價鐵離子變成產(chǎn)物。

提起化工廠，大家都會覺得不好。為什么？因為污染很嚴重，以前很多工廠都是這樣的。舉個例子，化合物環(huán)氧丙烷很重要，因為它有很多用途，可以做剎車油、乳化劑，也可以做泡沫材料，很多汽車配件都是用這種物質(zhì)做原料。我承認以前化工廠產(chǎn)生環(huán)氧丙烷真的不好，會產(chǎn)生大量的污染。但是我們想一想，能不能讓這種化工廠變成清潔化工廠？

環(huán)氧丙烷從汽油里能得到丙烯，丙烯怎么變成環(huán)氧丙烷呢？需要加一個氧，氧是從雙氧水出來的，雙氧水把一個氧給丙烯，副產(chǎn)物雙氧水變成了水，但是水不會創(chuàng)造污染。

所以利用雙氧水做氧化劑，可以讓原來污染的化工廠變成清潔化工廠。但是有個問題，雙氧水和丙烯反應(yīng)速度非常慢或者沒有反應(yīng)，怎么提高反應(yīng)速度呢？

我們知道還要加催化，有一個鈦硅分子篩催化劑。但是如果很多化工廠利用雙氧水做清潔氧化劑，把原來污染生產(chǎn)線變成清潔生產(chǎn)線，那怎么生產(chǎn)雙氧水呢？

有一個有機化合物，叫蒽醌，它在空氣中被氧化了變成雙氧水。這個有機化合物要循環(huán)用，不循環(huán)用是不環(huán)保的，要加氫成本太高。有機化合物和氫氣反應(yīng)速度非常慢，怎么把反應(yīng)速度提高？加催化劑，一個很好的加氫催化劑就是鈀Pd，我們可以把鈀作為催化劑。

鈀為什么會促進氫氣反應(yīng)呢？因為氫和氫的化學鍵很強，讓它參加化學反應(yīng)，活化能很高，需要吸收大量的能量。但是把氫氣分子吸收在金屬鈀的表面，它會分開變成氫原子，現(xiàn)在這個氫原子的反應(yīng)速度很快，所以我們可以用一個含鈀的催化劑。

這個瓶子中有氫氣和氧氣，它們有化學反應(yīng)嗎？沒有。如果加了含鈀的催化劑，我們看能不能把反應(yīng)速度提高。把一些含鈀的催化劑加進這里，我把瓶子打開以后，把催化劑加進去。加了催化劑以后反應(yīng)速度快多了。為什么？剛才說是因為氫氣的分子會變成氫原子，這是用的金屬鈀分散在活性炭上。

有實驗證據(jù)可以用一個掃描隧道顯微鏡，能看到這個黑點就是氫原子在金屬鈀的表面，結(jié)構(gòu)模型就是這樣一個六方體。

現(xiàn)在我們可以利用金屬鈀做催化劑生產(chǎn)雙氧水，在生產(chǎn)雙氧水的過程中需要加氫，要利用金屬鈀。但是不能有一大塊鈀，第一是成本太高；第二是作廢了，因為外面的鈀原子可以用，里面就浪費了，必須要把金屬鈀分散在一個載體。

這幾年北京化工大學在化工資源有效利用國家重點實驗室，老師們和同學們正在努力發(fā)明一個新的催化劑，為了專門生產(chǎn)雙氧水，把金屬鈀分散不在活性炭上，在球狀的氧化鋁上。

如圖，這是催化劑、生產(chǎn)催化劑的小工廠，以及利用催化劑生產(chǎn)雙氧水的大工廠?，F(xiàn)在很多化工廠開始利用我們的催化劑生產(chǎn)雙氧水，他們的評價很高：“你的催化劑比別人的催化劑好多了，活性高，而且壽命長。”別人的催化劑一年以后就沒有活性了，我們的催化劑，兩年、三年以后還是有高活性，所以他們非常滿意。

雖然別人的評價對我們很好，但是我們不滿意，老師們和同學們還要努力看能否發(fā)明更好的催化劑。所以在這里，希望同學們也要努力學習化學，也要加入國家重點實驗室，跟我們一起發(fā)明更好的催化劑好不好？

很多朋友會說：“催化劑跟我的生活一點兒關(guān)系都沒有”，其實是錯誤的。剛才我們看到了，催化劑對社會有貢獻，如果很多化工廠利用我們的催化劑產(chǎn)生大量的雙氧水，把雙氧水賣給另外一個化工廠，他們用雙氧水把原來的創(chuàng)造污染的生產(chǎn)線變成清潔生產(chǎn)線，通過這個過程對中國的環(huán)保有所貢獻，然而不只是這一個例子。

大家都知道汽車尾氣會創(chuàng)造污染，如果你的汽車沒有催化轉(zhuǎn)換器，里面有很多貴金屬，比鈀還貴，汽車尾氣的污染更厲害，但是這不是化學家發(fā)明的最重要的催化劑。

最重要的催化劑不是貴金屬就是鐵，鐵會把氫氣和空氣中的氮氣變成合成氨，合成氨會變成化肥、氮肥。有人說我不要化肥，我要吃綠色食品。但如果全球70多億人都說，我想吃綠色食品，糧食不夠，那么30多億人會餓死了，所以催化劑很重要。

我們有化學家發(fā)明的催化劑，也有天然的催化劑，發(fā)酵做酸奶、酒、醋等等都是用生物催化劑，就是生物酶。每個人身體里有N個化學反應(yīng)，比如呼吸氧氣，通過一系列的反應(yīng)，一部分的氧氣變成二氧化碳。

人體中的化學反應(yīng)速度也需要控制，如果控制不好，身體肯定不好。怎么控制呢？就是利用生物酶——每個人身體里都有生物催化劑、生物酶來控制你的反應(yīng)速度，所以身體健康也需要催化劑。

可持續(xù)發(fā)展離不開催化劑，身體健康也離不開催化劑，所以跟大家說最后一句，催化劑是無處不在！謝謝大家！

“SELF格致論道”是中國科學院全力推出的公益講壇，致力于精英思想的跨界傳播，由中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國科學院科學傳播局聯(lián)合主辦。SELF是 Science, Education, Life, Future的縮寫，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發(fā)展。SELF嘗試打破過去純粹以“知識傳播”為主的科普形式，專注于思想的傳播，力圖從思想的源頭上促進公眾參與科學的積極性，打造具有中國科學院特色的、融合創(chuàng)新、科學與人文關(guān)懷并存的公益演講品牌。