戴偉：化學(xué)“雷鋒” 來(lái)自中科院物理所 00:00 29:47

戴偉 David G. Evans

北京化工大學(xué)特聘教授

英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)北京分會(huì)主席

以下內(nèi)容為戴偉（David G. Evans）演講實(shí)錄：

原來(lái)我準(zhǔn)備跟大家討論雷鋒精神，但是后來(lái)我考慮中國(guó)人肯定比老外更懂雷鋒，所以我不敢講。最后我想，化學(xué)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(jìn)化學(xué)世界吧。

如果我們要吃一點(diǎn)東西，去快餐店都知道怎么做，先要交錢(qián)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(shí)候，錢(qián)應(yīng)該給誰(shuí)？當(dāng)然給老板的。你吃完了漢堡，這個(gè)錢(qián)是誰(shuí)的？還應(yīng)該是老板的。

但是在化學(xué)世界，有時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)，吃完漢堡包，錢(qián)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(shuō)神奇不神奇？

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

我也有個(gè)“戴偉神燈”，一點(diǎn)兒也不漂亮，比阿拉丁神燈差多了。如果我是阿拉丁，摸這個(gè)燈神會(huì)出來(lái)了。但是我要做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，所以我把一種液體叫雙氧水，也可以叫過(guò)氧化氫倒進(jìn)瓶子里。

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

化學(xué)的“化”是哪個(gè)“化”？是變化的“化”，所以化學(xué)家要學(xué)習(xí)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(gè)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(mǎi)到，有的人用雙氧水消毒；也有二氧化錳，兩個(gè)物質(zhì)放在一起，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的物質(zhì)，就噴出來(lái)霧。

這個(gè)化學(xué)反應(yīng)是雙氧水H2O2，分解變成水和氧氣。你看到氧氣出來(lái)了嗎？錯(cuò)，你看到的不是氧氣，因?yàn)榭諝庵杏醒鯕?，是看不?jiàn)、摸不到的。大家看這個(gè)瓶子，瓶子已經(jīng)開(kāi)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(gè)典型的化學(xué)反應(yīng)。

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

我們?cè)趧e的化學(xué)反應(yīng)看看，有沒(méi)有催化劑的作用。這里有兩個(gè)液體，上過(guò)化學(xué)課的人應(yīng)該知道，這種顏色的液體應(yīng)該含有哪個(gè)金屬離子呢？就是三價(jià)鐵，另外一個(gè)是硫代硫酸鈉。我把兩個(gè)液體倒在一起，我們看有沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。

產(chǎn)生了新的棕色的三價(jià)鐵和無(wú)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(gè)化學(xué)反應(yīng)。但仔細(xì)地看，好像不只有一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)顏色是不是慢慢變了？它慢慢顏色變淺了。

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

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

三價(jià)鐵和無(wú)色的硫代硫酸鈉會(huì)產(chǎn)生深紫色的物質(zhì)，通過(guò)第二個(gè)慢速化學(xué)反應(yīng)，最后會(huì)變成幾乎無(wú)色的，現(xiàn)在還沒(méi)有呈現(xiàn)，怎么把第二個(gè)化學(xué)反應(yīng)的速度提高呢？

剛才我們看了，二氧化錳是一個(gè)催化劑，會(huì)把雙氧水分解的化學(xué)速度變快。如果我們用另外一個(gè)催化劑，可不可以把三價(jià)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(gè)藍(lán)色的液體。上過(guò)化學(xué)課的人應(yīng)該能猜出來(lái)，藍(lán)色的液體是什么？是硫酸銅，很普遍的化學(xué)試劑。我要加一點(diǎn)點(diǎn)的硫酸銅溶液，加5滴放在里面，再加三價(jià)鐵和硫代硫酸鈉，我們知道是先會(huì)變成紫色的。我們加進(jìn)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(jià)銅會(huì)做催化劑，二價(jià)銅會(huì)和硫代硫酸鈉有化學(xué)反應(yīng)，讓催化劑變成一個(gè)中間體，這個(gè)中間體會(huì)和三價(jià)鐵有反應(yīng)，會(huì)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(gè)中間體恢復(fù)變成原來(lái)的催化劑。

催化劑可以循環(huán)，一個(gè)銅離子可以把很多鐵離子參加化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)殂~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(gè)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(jià)鐵是100毫升，所以比例是400：1。一個(gè)銅離子會(huì)把400個(gè)三價(jià)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(jià)銅。二價(jià)銅它會(huì)變成一價(jià)銅，但是最后一價(jià)銅恢復(fù)原來(lái)的催化劑，但是你把這所有的化學(xué)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(lái)的三價(jià)鐵和硫代硫酸鈉，變成二價(jià)鐵和連四硫酸根。但是因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)速度很快，所以總體的反應(yīng)速度比沒(méi)有催化劑快得多了。

因?yàn)槊總€(gè)化學(xué)反應(yīng)需要先吸熱，要有一個(gè)活化能，要把化學(xué)鍵斷開(kāi)。如果沒(méi)有催化劑，活化能很高，吸熱量大，所以化學(xué)反應(yīng)速度很慢。

但是用催化劑呢？雖然這個(gè)紅色的線很復(fù)雜，催化劑變成中間體，也許會(huì)變成幾個(gè)中間體。大家看紅色的線上，每個(gè)活化能要吸能量的量是非常少。所以用催化劑，雖然路很復(fù)雜，但是反應(yīng)速度會(huì)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(fèi)勁，需要很長(zhǎng)時(shí)間。你拿一個(gè)推土機(jī)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(méi)有任何變化，反應(yīng)結(jié)束了，這個(gè)催化劑還在?？吹嚼锩嫠{(lán)色的二價(jià)銅嗎？看不到，為什么？因?yàn)樗嗔?，它已?jīng)稀釋了。

你有權(quán)利說(shuō)我不相信你，因?yàn)檫@是科學(xué)的態(tài)度，在日常生活中也需要有科學(xué)的態(tài)度。網(wǎng)上說(shuō)你每天喝6杯咖啡能活到99歲，你不能盲目地相信，要問(wèn)證據(jù)在哪兒？在實(shí)驗(yàn)室也一樣，你也不能盲目地相信我，我說(shuō)催化劑還在，你說(shuō)不相信，需要證據(jù)驗(yàn)證這個(gè)催化劑真的在。怎么驗(yàn)證呢？

大家想一下，如果催化劑真的在，我把新的二價(jià)鐵和硫代硫酸鈉再加進(jìn)去，它應(yīng)該很快變成紫色的。如果催化劑還在，這個(gè)紫色的在很短時(shí)間變成無(wú)色的，如果我說(shuō)的不對(duì)，它應(yīng)該脫色非常慢。

我們繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，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(shuō)相信我，催化劑真的在，所以在科學(xué)中，我們需要證據(jù)。

很多同學(xué)上化學(xué)課的時(shí)候會(huì)經(jīng)常犯錯(cuò)，說(shuō)催化劑不參加化學(xué)反應(yīng)，這是不對(duì)的。因?yàn)閯偛盼覀冎浪菂⒓拥?，它?huì)變成一個(gè)中間體，但是反應(yīng)結(jié)束了，這個(gè)中間體恢復(fù)成原來(lái)的催化劑。

但是大家相信不相信，這個(gè)催化劑真的變成中間體，看到了這個(gè)中間體沒(méi)有？沒(méi)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(méi)有證據(jù)證明催化劑在中間變成另外一個(gè)物質(zhì)了。

所以做另外一個(gè)反應(yīng)，還是用剛才的雙氧水。這次用三價(jià)鐵做催化劑，看能不能促進(jìn)雙氧水跟剛才一樣分解成水和氧氣。我把三價(jià)鐵溶液倒進(jìn)兩個(gè)錐型瓶，現(xiàn)在兩個(gè)液體的顏色是一樣的。因?yàn)槎际且粋€(gè)瓶子出來(lái)的，我是化學(xué)家不是魔法師。這個(gè)瓶子不動(dòng)，另一個(gè)瓶子倒雙氧水，現(xiàn)在看顏色都是一樣的。把雙氧水倒進(jìn)去，顏色變黑了。

有氧氣嗎？不能說(shuō)有氧氣，科學(xué)的態(tài)度應(yīng)該說(shuō)有氣體。為了驗(yàn)證它真的是氧氣，我們要放一個(gè)帶火星的木條進(jìn)去，空氣中有火星沒(méi)有火，一進(jìn)去會(huì)復(fù)燃，這是證據(jù)。三價(jià)鐵就是一個(gè)很好的催化劑，它會(huì)把雙氧水分解，變成水和氧氣。

這個(gè)黑色的物質(zhì)是什么呢？黑色的物質(zhì)就是我說(shuō)的中間體，雙氧水跟三價(jià)鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變成一個(gè)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(shuō)的完全對(duì)，反應(yīng)結(jié)束了，雙氧水都分解了，不再放出氧氣。這個(gè)黑色的物質(zhì)應(yīng)該不在了，它應(yīng)該恢復(fù)變成原來(lái)的催化劑。但是如果我說(shuō)的不對(duì)，如果黑色物質(zhì)不是中間體，是一個(gè)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(yàn)證我說(shuō)的是不是正確的，我們也要驗(yàn)證這個(gè)中間體是否恢復(fù)成原來(lái)的催化劑。黑色的物質(zhì)已經(jīng)不在了，它已經(jīng)恢復(fù)變成原來(lái)的催化劑，但是真的是原來(lái)的催化劑嗎？

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

所以我們說(shuō)催化劑具有雷鋒的精神，自己沒(méi)有獲得什么收益，剛開(kāi)始它是催化劑，反應(yīng)結(jié)束了它還是原來(lái)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(méi)有變化，但是它會(huì)促進(jìn)雙氧水分解，所以這就是化學(xué)的雷鋒精神。

因?yàn)榇呋瘎┛梢匝h(huán)用，就像花了錢(qián)、退錢(qián)再花，而且剛才我們看到催化劑可以用一個(gè)銅離子，可以把很多的三價(jià)鐵離子變成產(chǎn)物。

提起化工廠，大家都會(huì)覺(jué)得不好。為什么？因?yàn)槲廴竞車(chē)?yán)重，以前很多工廠都是這樣的。舉個(gè)例子，化合物環(huán)氧丙烷很重要，因?yàn)樗泻芏嘤猛?，可以做剎車(chē)油、乳化劑，也可以做泡沫材料，很多汽車(chē)配件都是用這種物質(zhì)做原料。我承認(rèn)以前化工廠產(chǎn)生環(huán)氧丙烷真的不好，會(huì)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(gè)氧，氧是從雙氧水出來(lái)的，雙氧水把一個(gè)氧給丙烯，副產(chǎn)物雙氧水變成了水，但是水不會(huì)創(chuàng)造污染。

所以利用雙氧水做氧化劑，可以讓原來(lái)污染的化工廠變成清潔化工廠。但是有個(gè)問(wèn)題，雙氧水和丙烯反應(yīng)速度非常慢或者沒(méi)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(gè)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(lái)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(gè)有機(jī)化合物，叫蒽醌，它在空氣中被氧化了變成雙氧水。這個(gè)有機(jī)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(jī)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(gè)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(huì)促進(jìn)氫氣反應(yīng)呢？因?yàn)闅浜蜌涞幕瘜W(xué)鍵很強(qiáng)，讓它參加化學(xué)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(huì)分開(kāi)變成氫原子，現(xiàn)在這個(gè)氫原子的反應(yīng)速度很快，所以我們可以用一個(gè)含鈀的催化劑。

這個(gè)瓶子中有氫氣和氧氣，它們有化學(xué)反應(yīng)嗎？沒(méi)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(jìn)這里，我把瓶子打開(kāi)以后，把催化劑加進(jìn)去。加了催化劑以后反應(yīng)速度快多了。為什么？剛才說(shuō)是因?yàn)闅錃獾姆肿訒?huì)變成氫原子，這是用的金屬鈀分散在活性炭上。

有實(shí)驗(yàn)證據(jù)可以用一個(gè)掃描隧道顯微鏡，能看到這個(gè)黑點(diǎn)就是氫原子在金屬鈀的表面，結(jié)構(gòu)模型就是這樣一個(gè)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(guò)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?yàn)橥饷娴拟Z原子可以用，里面就浪費(fèi)了，必須要把金屬鈀分散在一個(gè)載體。

這幾年北京化工大學(xué)在化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，老師們和同學(xué)們正在努力發(fā)明一個(gè)新的催化劑，為了專門(mén)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(kāi)始利用我們的催化劑生產(chǎn)雙氧水，他們的評(píng)價(jià)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(zhǎng)。”別人的催化劑一年以后就沒(méi)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(píng)價(jià)對(duì)我們很好，但是我們不滿意，老師們和同學(xué)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(xué)們也要努力學(xué)習(xí)化學(xué)，也要加入國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，跟我們一起發(fā)明更好的催化劑好不好？

很多朋友會(huì)說(shuō)：“催化劑跟我的生活一點(diǎn)兒關(guān)系都沒(méi)有”，其實(shí)是錯(cuò)誤的。剛才我們看到了，催化劑對(duì)社會(huì)有貢獻(xiàn)，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(mài)給另外一個(gè)化工廠，他們用雙氧水把原來(lái)的創(chuàng)造污染的生產(chǎn)線變成清潔生產(chǎn)線，通過(guò)這個(gè)過(guò)程對(duì)中國(guó)的環(huán)保有所貢獻(xiàn)，然而不只是這一個(gè)例子。

大家都知道汽車(chē)尾氣會(huì)創(chuàng)造污染，如果你的汽車(chē)沒(méi)有催化轉(zhuǎn)換器，里面有很多貴金屬，比鈀還貴，汽車(chē)尾氣的污染更厲害，但是這不是化學(xué)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(huì)把氫氣和空氣中的氮?dú)庾兂珊铣砂?，合成氨?huì)變成化肥、氮肥。有人說(shuō)我不要化肥，我要吃綠色食品。但如果全球70多億人都說(shuō)，我想吃綠色食品，糧食不夠，那么30多億人會(huì)餓死了，所以催化劑很重要。

我們有化學(xué)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(gè)人身體里有N個(gè)化學(xué)反應(yīng)，比如呼吸氧氣，通過(guò)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(xué)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(gè)人身體里都有生物催化劑、生物酶來(lái)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(kāi)催化劑，身體健康也離不開(kāi)催化劑，所以跟大家說(shuō)最后一句，催化劑是無(wú)處不在！謝謝大家！

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