在工業製備三氧化硫的過程中，選擇使用五氧化二釩（V2O5）作為催化劑而不是鉑的原因有幾個：

1. **價格**：鉑是一種昂貴的貴金屬，相較之下，五氧化二釩的成本較低，使得整體工業生產的成本降低。

2. **催化劑中毒的耐受性**：鉑在反應過程中更容易受到催化劑中毒的影響，導致催化劑失效。而 V2O5 對反應條件的變化有更好的耐受性，能持續有效地進行反應。

3. **催化效率**：V2O5 在合適的反應條件下能夠實現較高的催化效率，且在較大範圍的操作條件下仍能保持穩定性。

該反應的催化機理如下：

1. **反應步驟**：
   - 先由二氧化硫（SO2）在 V2O5 的存在下，進行氧化，生成三氧化硫（SO3）。

   \[
   2 \, \text{SO}_2 + \text{V}_2\text{O}_5 \rightarrow 2 \, \text{SO}_3 + \text{V}_2\text{O}_3
   \]

2. **再生步驟**：
   - 接著 V2O3 再與氧氣反應，將其再生為 V2O5。

   \[
   \text{V}_2\text{O}_3 + \text{O}_2 \rightarrow \text{V}_2\text{O}_5
   \]

通過這一系列的反應，催化劑 V2O5 得以在反應過程中循環使用，便於持續生產三氧化硫。

至於其他可行的催化劑選擇，雖然在某些研究中提到一氧化氮（NO）可能也能作為催化劑，但由於其劇毒性，並不適合在工業流程中廣泛應用。因此，目前 V2O5 是最常用的催化劑選擇。
在工業製備三氧化硫的過程中，為何選擇使用 V2O5 作為催化劑而不是鉑？該反應的催化機理是什麼？是否存在其他可行的催化劑選擇？
**三氧化硫**（IUPAC 名：sulphur trioxide，分子式：**SO3**）是一種硫的氧化物，有類似二氧化硫的氣味，溶於水中反應成硫酸。它的氣體形式是一種嚴重的污染物，是形成酸雨的主要來源之一。

在 673K、1atm 下，三氧化硫略有分解並達到平衡（三氧化硫含量 99.2%），較低的溫度與較高的壓力有利於三氧化硫的穩定。但 1173K 時，三氧化硫完全分解。

## 結構

### 氣態構型

氣態的 SO3 是一種具有 D3h 對稱的平面正三角形分子，含有一個離域的 $\pi _{4}^{6}$ 鍵。這與價層電子對互斥理論（VSEPR）所預測的結論是一致的。

三氧化硫中，硫的化合價為 + 6，分子為非極性分子。

### 固態結構

天然的 SO3 固體有一種令人驚訝的、因痕量水導致結構改變的複雜結構。 由於氣體的液化，極純的 SO3 冷凝形成一種通常稱作 _γ_-SO3 的三聚體。這種分子形式是一種熔點在 16.8℃的無色固體。它形成的環狀結構被稱為 [S（=O）2（_μ_-O）]3.

如果 SO3 在 27℃以上冷凝，可形成熔點為 62.3℃的 _α_-"SO3" . _α_-SO3 外觀為類似石棉的纖維狀（雖然兩者相差甚遠）。在結構上來說，它是形如 [S（=O）2（_μ_-O）]n 的聚合物。聚合物分子的每個末端都以 - OH 結束（因此 _α_-"SO3" 並非真正是 SO3 的一個構型）。_β_-SO3 是與 α 構型相類似、但相對分子質量不同的纖維狀聚合物，其分子末端亦皆為羥基，熔點為 32.5℃。γ 構型和 β 構型都是介穩的，在長時間放置後最終會轉化為穩定的 α 構型。這種轉化是由痕量水導致的。

在同一溫度下固體 SO3 的相對蒸氣壓大小為 α<β<γ，亦指明它們相對分子質量的大小。液態三氧化硫的蒸氣壓說明它是 γ 構型。因此加熱 _α_-SO3 的晶體至其熔點時會導致蒸氣壓的突然升高，巨大的壓力甚至可以衝破加熱它的玻璃管。這個結果被稱為 "α 爆炸。"

SO3 極易水解。事實上，由於 SO3 使碳水化合物脫水並放出大量熱，該反應足以使混合了 SO3 的木頭或者棉花點燃。

## 製備

在實驗室中三氧化硫可以通過硫酸氫鈉的兩步高溫分解來製備：

　
: 脫水： 
2 NaHSO4 ${\ce {->[{\text{315℃}}]}}$ Na2S2O7 + H2O

　
: 熱分解： 
Na2S2O7 ${\ce {->[{\text{460℃}}]}}$ Na2SO4 + SO3

其他的金屬硫酸氫鹽同樣在這個辦法中適用，這個的關鍵在於中間媒介焦硫酸鹽的穩定性。

SO3 的工業製法是接觸法。二氧化硫通常通過硫的燃燒或黃鐵礦礦石（一種含硫鐵礦石）的煅燒得到的，先通過靜電沉澱進行提純。提純後的 SO2 在 400 至 600°C 的溫度下，用負載在硅藻土上的含氧化鉀或硫酸鉀（助催劑）的五氧化二釩作為催化劑，將二氧化硫用氧氣氧化為三氧化硫。鉑同樣可以充當這個反應的催化劑但是價格昂貴，比混合物更容易發生催化劑中毒（導致失效）。其催化機理為：

　
: 2 SO2 + V2O5 → 2 SO3 + V2O3

　
: V2O3 + O2 → V2O5

以這種方式製得的三氧化硫大部分都被轉化為了硫酸，但不能用水進行吸收，否則將形成大量酸霧，但如果採用 98.3% 硫酸作吸收劑，因其液面上水、三氧化硫和硫酸的總蒸氣壓最低，故吸收效率最高。

另外，把硫酸銅在空氣中加熱至 650°C，硫酸銅會分解成三氧化硫及氧化銅。

　
: ${\ce {CuSO4->[650^{\circ }C]SO3{\uparrow }+CuO}}$

另一種方法是用一氧化氮催化氧化二氧化硫，但此法的缺陷是使用的一氧化氮劇毒（也有認為釩也是此反應的催化劑）：

　
: 2SO2 + O2 ${\ce {->[{\ce {N}}O]}}$ 2SO3

## 化學性質

SO3 是硫酸（H2SO4）的酸酐，三氧化硫與水反應，釋放出大量的熱，而形成硫酸。因此，可以發生以下反應：

　
: SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)（-88 kJ mol−1）

這個反應進行得非常迅速，而且是放熱反應。在大約～340 °C 以上時，硫酸、三氧化硫和水才可以在平衡濃度下共存。

三氧化硫也與二氯化硫發生反應來生產很有用的試劑 —— 亞硫醯氯。

　
: SO3 + SCl2 → SOCl2 + SO2

## 危害

人體吸入三氧化硫後，氣體進入呼吸道及肺，並溶於粘液，形成硫酸，腐蝕呼吸道。

## 來源

* WebElements（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* NIST Standard Reference Database（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* European Chemicals Bureau
* ChemSub Online: 三氧化硫（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Public Health Statement for Sulfur Trioxide and Sulfuric Acid（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參考文獻

## 參見

* 硫酸
* 二氧化硫
* 超價分子
**五氧化二釩**，IUPAC 名稱為**氧化釩 (V)**，是釩 (V) 的氧化物，化學式為 V2O5。它是一種有毒的橙黃色固體，微溶於水，加熱時失去氧而分解。可作化學工業中的催化劑，最重要的是對硫酸工業中二氧化硫轉化為三氧化硫一步的催化。

五氧化二釩中的釩（+5）為最高氧化態，具有兩性和氧化性。 **二氧化鉑**也稱**亞當斯催化劑**或**氧化鉑**，通常以一水合物的形式存在，是有機合成中氫化和氫解反應的催化劑，深褐色粉末。加熱超過 650℃時分解為金屬鉑和氧氣。二氧化鉑自身無催化活性，但遇氫氣後，可轉變為有催化活性的鉑黑。

## 製備

一般由氯鉑酸（H2PtCl6）或氯鉑酸銨 [(NH4)2PtCl6] 和硝酸鈉在 500℃時共熔製備。最早由羅傑・亞當斯和他的學生 V. Voorhees 製得。該法中先生成硝酸鉑，後者再分解放出氮氧化物和氧氣，得二氧化鉑。產物呈棕色餅狀。需水洗以除去硝酸鹽。然後可現制現用，也可置於乾燥器中儲存。

　
: : H2PtCl6 + 6 NaNO3 → Pt(NO3)4 + 6 NaCl (aq) + 2 HNO3

　
: : Pt(NO3)4 → PtO2 + 4 NO2 + O2

反應後失活的鉑可用王水溶解，再用氨處理，以氯鉑酸銨的形式回收。

水溶性的亞當斯催化劑膠體也已被開發出來。 **三氧化硫**（IUPAC 名：sulphur trioxide，分子式：**SO3**）是一種硫的氧化物，有類似二氧化硫的氣味，溶於水中反應成硫酸。它的氣體形式是一種嚴重的污染物，是形成酸雨的主要來源之一。

在 673K、1atm 下，三氧化硫略有分解並達到平衡（三氧化硫含量 99.2%），較低的溫度與較高的壓力有利於三氧化硫的穩定。但 1173K 時，三氧化硫完全分解。 ## 應用

用於氫化、氫解、脫氫和氧化反應。反應中其被還原形成的金屬鉑（鉑黑）是具活性的催化劑。

　
: : PtO2 + 4 H2 → Pt + 2 H2O

可將炔還原為烯。反應為順式加成，得順式烯。也可將硝基化合物還原為胺及將酮還原為醇。對官能團有選擇性；控制條件下，可只將不飽和硝基化合物中的烯鍵還原。

在將硝基化合物還原至胺時，與鈀類催化劑相比，使用鉑催化劑更能避免氫解反應的發生。二氧化鉑也可用於磷酸苯酯的氫解，而鈀類催化劑則不能催化這類反應。反應過程對溶液的 pH 十分敏感，在純乙酸或乙酸在其他溶劑中的溶液中的反應速率一般較快。

## 發展過程

發展二氧化鉑前，有機物加氫常用膠體鈀、膠體鉑或鉑黑作催化劑。膠體催化劑雖活性較強，但反應後很難與產物分離。這導致很多反應都是用鉑黑催化進行，促使研究者改良鉑黑的製備的方法。對此，亞當斯曾說：

## 安全

二氧化鉑自身基本無害，但它被氫氣還原後形成的鉑黑可自燃。反應中應保持鉑黑潤濕，避免與氧氣接觸。

## 參考資料