[科普中國(guó)]-自催化

自催化是指不添加催化劑，而由反應(yīng)產(chǎn)物起催化作用的反應(yīng)。該類反應(yīng)的特點(diǎn)是起始階段反應(yīng)速率較慢，隨后反應(yīng)速率逐漸加快，最后速率再次變慢。1

自催化反應(yīng)自催化反應(yīng)是指反應(yīng)物本身具有催化作用，能夠加速或減慢反應(yīng)的進(jìn)行的一類反應(yīng)。例如，發(fā)酵過程的反應(yīng)、廢水處理過程等都是工業(yè)上常見的自催化反應(yīng)。在自催化反應(yīng)中，反應(yīng)速率不僅受反應(yīng)物濃度的影響，還受反應(yīng)產(chǎn)物濃度的影響。

自催化反應(yīng)可表述為：A+P-2P

動(dòng)力學(xué)方程式為：

由上述動(dòng)力學(xué)方程式可知：在產(chǎn)物濃度為零(cP=0)的條件下，反應(yīng)速率為零，反應(yīng)不能進(jìn)行，故要在反應(yīng)物中加入少量的產(chǎn)物，促使反應(yīng)開始。2

反應(yīng)速率與反應(yīng)物的關(guān)系自催化反應(yīng)速率和反應(yīng)物的關(guān)系示意圖如圖1所示。在反應(yīng)前期（對(duì)應(yīng)于圖1中點(diǎn)A到點(diǎn)B），由于反應(yīng)物濃度cA基數(shù)較大，產(chǎn)物濃度cP較小，故產(chǎn)物濃度提高對(duì)反應(yīng)速率的影響大于反應(yīng)物濃度降低對(duì)反應(yīng)速率的影響，所以總體而占反應(yīng)速率隨著產(chǎn)物濃度的快速升高而增大。在反應(yīng)后期（對(duì)應(yīng)于圖1中點(diǎn)B到點(diǎn)C），產(chǎn)物的濃度cP較大，反應(yīng)物的濃度cP較小，故反應(yīng)物濃度的降低對(duì)反應(yīng)速率的影響大于產(chǎn)物濃度提高對(duì)產(chǎn)物速率的影響，所以反應(yīng)速率隨著反應(yīng)物濃度的降低而降低。

由以上分析可知，反應(yīng)速率隨著反應(yīng)的進(jìn)行會(huì)經(jīng)過先增大后減小的變化，那么將存在一個(gè)極大值（對(duì)應(yīng)于圖1中的最高點(diǎn)B）。即自催化反應(yīng)過程中必然存在一個(gè)最大反應(yīng)速率。2

間歇反應(yīng)器中的自催化反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行的自催化反應(yīng)，存在一個(gè)特征：由于反應(yīng)過程中沒有物料的輸入和輸出，所以反應(yīng)物和產(chǎn)物的物質(zhì)的量恒定，即：

即產(chǎn)物P的濃度為：

c0為反應(yīng)物的初始濃度cA0加和加入的少量產(chǎn)物的初始濃度cP0之和。將上式代入自催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：

則自催化反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可以表達(dá)為：

反應(yīng)速率存在極大值，令：

計(jì)算可得：

反應(yīng)速率最大時(shí)的反應(yīng)物濃度cA為：

反應(yīng)速率方程 ，在t=0,cA=cA0,cP=cP0的初始條件下積分,可得：

即反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)濃度的關(guān)系式為:2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)