均相催化是催化劑與反應物處於同一相。通常,催化劑和反應物均為液體。均相催化的原理是催化劑可直接與反應物發生反應,形成新的活性中間體,從而降低整體反應過程的活化能。下面列舉了兩個均相催化作用的例子。請同學們根據反應過程的描述了解均相催化作用的機理。
在水中,酯會水解生成乙酸和乙醇。當加入酸時,酯水解反應的速率明顯提高。這是因為,酸中的氫離子會與酯結合形成活性中間體,從而降低化學反應的活化能。下面的動畫展示了酸性條件下乙酸乙酯的水解過程。
碘離子 \({{\text{I}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\) 和過氧二硫酸根離子 \({{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{8}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\) 之間可以發生氧化還原反應,生成碘 \({{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\) 和硫酸根離子 \(\text{S}{{\text{O}}_{4}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\)。
\[\text{2}{{\text{I}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{8}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\ \to \ {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2S}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\]
由於兩個反應物都帶有負電荷,所以該反應的速率很低。為此,化學家們引入了帶有正電荷的鐵(II) 離子 (\(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\)),從而加速反應的進行。該反應由以下兩個過程組成:
\(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\) 具有還原性,與 \({{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{8}}}^{\text{2}-}\) 反應,本身被氧化成 \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\):
\[\text{2F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ {{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{8}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{2F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \text{2S}{{\text{O}}_{\text{4}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\]\(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\) 具有氧化性,與 \({{\text{I}}^{-}}\) 反應,本身被還原成 \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\):
\[\text{2F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ \text{2}{{\text{I}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{2F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\]可以看出:該催化反應是藉助 \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\) 的還原性和 \(\text{F}{{\text{e}}^{\text{3+}}}\) 的氧化性實現的。反應完成後,\(\text{F}{{\text{e}}^{\text{2+}}}\) 並未發生任何化學變化。