自催化反應(Autocatalysis)

自催化反應(Autocatalysis)
台北縣立三民高級中學化學科莊麗紋老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

在化學反應中，能改變反應速率而本身的組成和質量在反應後保持不變的物質，稱為催化劑。如果一個反應，它的反應產物能提高該反應速率，即反應產物能起催化作用，這個反應就被稱為自催化反應(autocatalysis)。

假設有一個二級自催化反應A + B→ 2B
反應速率方程式為    R=k [A][B] A和B的濃度隨時間變化為

典型的自催化反應等式圖形是雙彎曲函數（圖一）：反應起初進行地很慢，因為幾乎沒有催化劑存在。反應速率隨着反應進行，產物增加同時催化劑量增加而反應速率加快，最後隨着反應物濃度降低而反應速率減慢。

 圖一、自催化反應中產物濃度的雙彎曲函數變化

例如：過錳酸鉀(KMnO₄)在酸性條件下的氧化反應（式一），其產物二價錳離子(Mn²⁺)正好是該反應的催化劑。開始時反應速率較慢，隨著反應中產物二價錳離子的增加，反應速率將越來越快。所以，經常在反應開始時加入少量的二價錳離子以誘導反應發生。
5 Fe²⁺_(aq) + MnO₄^－_(aq)+8 H⁺_(aq) →5 5 Fe²⁺_(aq) + 2 Mn²⁺_(aq)+ 4H₂O_(l)   （式一）

將稀釋的過錳酸鉀溶液分別倒入兩杯草酸(H₂C₂O₄)溶液中（圖二A），其中右邊的燒杯加入些許的硫酸亞錳，硫酸亞錳中的亞錳離子加速氧化還原的進行，使得過錳酸根較快速地轉換成亞錳離子（圖二B），另一燒杯初始並沒有立即褪色，但隨著扮演催化劑的產物亞錳離子的增加，自催化即發生，仍使過錳酸鉀還原的速率越來越快（圖二C）。

 
圖二A、將稀釋的過錳酸鉀溶液分別倒入兩杯酸化的草酸溶液。

圖二B、右邊的燒杯加入些許的硫酸亞錳，硫酸亞錳中的亞錳離子加速氧化還原的進行。

圖二C、隨著扮演催化劑的產物亞錳離子的增加，自催化即發生使左邊的過錳酸鉀還原的速率越來越快。

另一個自催化反應的例子為過錳酸鉀與雙氧水(H₂O₂)的氧化還原，產物亞錳離子一樣具有催化過錳酸鉀還原的效果。由表一中得知當雙氧水的濃度≥2.5%，過錳酸根褪色的時間明顯變長，乃是亞錳離子與雙氧水產生錯合物 Mn(H₂O₂)_n²⁺，降低自催化的現象。而當雙氧水濃度＜1.25% 自由的亞錳離子便能進行自催化反應，反應速率顯著變快（表一）。

表一、雙氧水與0.04M過錳酸鉀反應完全褪色所需時間

 參考資料：
1. http://zh.wikipedia.org/zh-tw/自催化反應 （圖一）
2. Jce online–Autocatalysis: Reaction of Permanganate with Oxalic Acid http://jchemed.chem.wisc.edu/JCE … N/AUTOCAT/PAGE1.HTM （圖二）
3. 作者：蘇裕仁、李勁宏、雷詠淳、王怡蘋，指導老師：林秀蓁、莊麗紋，〈高中化學科展：氧生之道〉，台北縣立三民高級中學。